Анабиоз

Различают три основных вида анабиоза: ангидробиоз (вода испаряется), криобиоз (вода замерзает) и осмобиоз (вода экстрагируется из клеток под влиянием осмотического давления).

Вода, как известно, является основным количественным компонентом любого биологического объекта. Вода заключенная в клетках, является не только средой для протекания ферментативных реакций, но и структурным элементом мембран и биополимеров. Вода – мембранообразующий фактор, поскольку биомолекулярный слой фосфолипидов возникает лишь в водной среде. В клетках находится до 25% связанной воды.

На принципе анабиоза основан ряд методов консервирования: охлаждение и замораживание, создание высоких концентраций осмотически деятельных веществ, сушка, хранение в регулируемой атмосфере, маринование, спиртование, квашение и др.

В зависимости от температурного уровня различают холодное хранение сырья или пищевых продуктов и замораживание. Под холодным хранением понимают хранение пищевых продуктов при температурах, близких к 0⁰С, но при которых сырье еще не замерзает.

При таких температурах сильно замедляются биохимические процессы, протекающие в растительном сырье, прежде всего дыхание, а также резко снижается активность микроорганизмов. Таким образом, данный метод основан на одновременном снижении активности биохимических процессов как сырья, так и микроорганизмов за счет резкого снижения активности ферментных систем. Метод холодного хранения дает возможность сохранить сырье и пищевые продукты при минимальном изменении их натуральных свойств в течение многих дней и даже недель.

Замораживание пищевых продуктов базируется на переводе основного количества влаги в ледоподобное состояние. Рассчитано, что большее количество воды, являющееся растворителем питательных веществ которыми питаются микроорганизмы, превращается в лед при –18⁰С. При вымораживании воды в клетках сырья так как и в микробиальных клетках, увеличивается концентрация водорастворимых соединений. В растительном сырье возрастает не только количество сахаридов клеточного сока, а также количество (концентрация) органических кислот, которые в свою очередь отрицательно влияют на белковые вещества путем их коагуляции и таким образом живая растительная клетка отмирает. То же самое относится и к микробиальной клетке. Однако некоторые психрофилы могут сохранять жизнедеятельность и при низких температурах, поэтому при размораживании сырья они и другие микроорганизмы могут быстро развиваться. Замораживание, однако, положительно влияет на торможение окислительных процессов, поэтому в замороженном состоянии продукты могут храниться очень долго.

Различают быстрое и медленное замораживание. Они имеют отличие в структуре образования льда. При медленном замораживании кристаллы льда в первую очередь образуются в тех точках, где концентрация водорастворимых веществ наименьшая, т.е. в межклеточном пространстве. Постепенно за счет диффузионных процессов, кристаллы льда увеличиваются, и это вызывает разрушение клеточных стенок и оболочек соседних клеток. По этой причине медленно замороженные пищевые продукты после размораживания теряют форму. Этих недостатков лишено быстрое замораживание, при котором кристаллы льда практически одновременно образуются по всей поверхности клеток и эти кристаллы имеют очень маленький размер, в результате чего структура ткани разрушается намного меньше, чем при медленном замораживании. Быстрое замораживание проводят путем интенсивного теплообмена сырья и охлаждающей поверхности. Это достигается интенсивным обдуванием с разных сторон или углублением или опрыскиванием жидким азотом и другими методами. Однако замораживание на сегодняшний день является самым дорогим методом консервирования, т.к. требует значительных затрат на поддержания низкой температуры.

Создание высоких концентраций осмотически деятельных веществ. Применение осмотически деятельных веществ относится к методам анабиоза и заключается в внесении в пищевые продукты определенного количества сахара или соли в концентрациях, которые вызывают плазмолиз клеток пищевого сырья и микроорганизмов. В этом случае благодаря удалению влаги из живой клетки происходит снижение объема цитоплазмы и живая клетка впадает в состояние анабиоза, т.е. полной или частичной остановки всех жизненно необходимых процессов. Для достижения этого эффекта необходимы относительно высокие концентрации сахара или соли и такой метод пригоден не для всех продуктов. Этот метод применяют при так называемом солении овощей, мяса, рыбы, а также при производстве продуктов с высоким содержанием сахара (конц. больше 65%). В этом случае продукты могут храниться относительно долгое время без стерилизации. Однако данный метод не обеспечивает полной остановки жизнедеятельности микроорганизмов и при определенных условиях, когда концентрация осмотически активных веществ снижается, они могут вернуться к активной жизнедеятельности и портить продукты.

Кроме того, существуют микроорганизмы, которые могут развиваться при высоких концентрациях сухих веществ в продукте (осмофилы). Они часто вызывают порчу сгущенного молока с сахаром, это происходит в случаях, когда сахар добавляют в сгущенное молоко или в виде кристаллов, или в виде сиропа, который перед внесением в сгущенное молоко не кипятят, или длительность кипячения не достаточна для уничтожения осмофильных микроорганизмов, которые часто присутствуют в сахарном песке.

Плоды и овощи солят или из них производят высокосахаристые продукты (варенья, джем), однако и в этом случае полной гарантии сохранения их качества нет.

Сушка как метод консервирования тоже основывается на принципе анабиоза и заключается в приведении содержания влаги в пищевых продуктах к такому значению, при котором теряется способность микроорганизмов питаться осмотическим путем водными растворами в первую очередь сахаридов.

Минимум влажности, при котором возможно развитие бактерий, составляет 25-30%, а для плесневых грибов – 10-15% влаги. Попадая в сухую среду, клетки отдают осмотическим путем свою влагу, плазмолизируют и прекращают свою жизнедеятельность.

Консервирующий эффект обезвоживания (сушки) заключается не только в том, что ферменты лишаются реакционной среды, но и в воздействии на них комплекса тормозящих активность факторов высоких концентрациях веществ. Консервирующее действие при обезвоживании оказывают также измененные физические свойства цитоплазмы – увеличение вязкости, осмотического давления и др.

Различают сушку:

- конвективную (в потоке нагретого газа);

- контактную (при соприкосновении с нагретой поверхностью)

- сублимационную (в вакууме)

- высокочастотную (диэлектрическим нагревом)

- радиационную (ИК-излучением)

Удаление влаги из материала может быть осуществлено различными способами. Наименее энергоемким способом является механический: прессование или отжим в центрифугах. Этот способ позволяет удалить лишь ту часть влаги в материале, которая заполняет поры и капилляры тела, так называемую несвязанную влагу.

Для полного удаления влаги применяют тепловые способы сушки, основанные на превращении влаги, содержащейся в материале, в пар с последующим удалением этого пара.

Физико-химические способы сушки основаны на применении водопоглощающих средств (силикагель, концентрированная серная кислота, хлорид кальция). Эти способы промышленного распространения не получили и используются в лабораторной практике.

 

Самостоятельно выучить: кривые сушки, сушильный агент, влагосодержание, влажность, процессы сорбции и десорбции, сушилки

 

Виды связи влаги с материалом

Сырье и материалы, подвергаемые сушке в пищевой промышленности, можно разделить на 2 группы: твердые кристаллические тела – сахар, лимонная кислота, поваренная соль и т.п. и коллоидно-дисперсные системы, которые в свою очередь А.В.Лыков предлагал разделить на 3 группы:

Первая группа – эластичные гели – тела, которые при обезвоживании сжимаются, но сохраняют эластичность. К эластичным гелям относятся прессованное мучное тесто, изделия на основе агар-агара (пастила, зефир) и желатина (мармелад).

Вторая группа – тела, которые после сушки становятся хрупкими: керамика и т.п.

Третью группу составляют коллоидные капиллярно-пористые тела: хлеб, зерно и т.п. Эластичные стенки капилляров этих тел деформируются при сушке, поэтому изделия могут изменять свой объем (усадка) и форму (крошение). После сушки коллоидные капиллярно-пористые тела могут становиться хрупкими, как, например, сухари.

Различные тела неодинаково взаимодействуют с содержащейся в них влагой, по-разному ее связывают. Академик П.А.Ребиндер предложил классификацию форм связи влаги на основе энергии связи:

a) механическая – влага смачивания, содержащаяся в капиллярах и макрокапиллярах. Эта форма связи наименее прочная Такую влагу можно удалить путем механического воздействия, например прессованием или в центрифуге;

b) физико-химическая форма связи – адсорбционная, осмотическая и структурная влага, содержащаяся в клетках и микрокапиллярах. Для разрушения этой формы связи требуется намного больше энергии. Как правило, удаление такой влаги происходит в форме пара, т.е. необходимо предварительно превратить воду в пар, затратив значительное количество теплоты;

c) химическая форма связи наиболее прочная. Это ионная связь (NaOH) и вода в кристаллогидратах (CuSO₄ 5H₂O). Эта связь может быть разрушена либо путем химического воздействия, либо нагревом до высоких температур – прокаливанием.

 

Подробно выучить каждый вид связи самостоятельно

 

Хранение сырья в регулируемой атмосфере также позволяет реализовать принцип анабиоза. Как уже было указано, при доступе воздуха жизнедеятельность плодов протекает нормально. Недозрелые плоды продолжают созревать. В процессе кислородного дыхания сахара окисляются, превращаясь в СО₂ и воду, и выделяется 674 ккал теплоты.

Если хранить плоды в газонепроницаемом помещении, то кислород из атмосферы, содержащей 79% N₂ и 21% О₂, будет расходоваться на дыхание, а взамен израсходованного кислорода в атмосферу будет выделяться равный объем диоксида углерода. Сумма объемов О₂ и СО₂ есть величина постоянная, равная 21%. Если например, кислорода в атмосфере хранилища осталось 16%, значит диоксида углерода накопилось 5%. Когда весь кислород будет израсходован, состав атмосферы хранилища будет такой: азота – 79%, диоксида углерода – 21%. При этом начнется бескислородное дыхание, сопровождаемое дальнейшим накоплением углекислоты и образованием спирта, чего допускать нельзя, ибо полное прекращение нормального дыхания приводит растительную клетку к гибели.

Давно было замечено, что если в атмосферу хранилища ввести диоксид углерода в таких количествах, при которых интрамолекулярные явления еще не наступают (до 10%), то дыхание плодов не прекращается совсем, а только замедляется. Благодаря этому замедляется расходование питательных веществ клетки, и срок хранения сырья в такой видоизмененной, или как говорят, модифицированной, атмосфере удлиняется.

Точно также влияют повышенные количества углекислоты в воздухе и на микроорганизмы.

Отсюда и возник метод консервирования, заключающийся в хранении растительного сырья в атмосфере с пониженной концентрацией кислорода, содержащей диоксид углерода.

Раньше считали, что оптимальный состав модифицированной атмосферы может быть представлен газовой смесью следующего состава (в %): N₂ – 79, О₂ – 11, СО₂ – 10. При этом создание нужной концентрации диоксида углерода в хранилище достигалось не введением газа извне, а за счет физиологической активности сырья, синтезирующего СО₂ из запасных веществ клетки. Такой состав газовой среды иногда применяется и в настоящее время.

В ряде случаев оптимальными являются газовые смеси, в которых сумма О₂ и СО₂ меньше 21%. Такие смеси называют субнормальными. Наибольшее распространение имеют субнормальные смеси, в которых содержится 3-5% кислорода, 3-5% диоксида углерода и 90-94% азота.

Субнормальные газовые смеси уже нельзя получать только за счет физиологической активности сырья и естественной вентиляции хранилища. Если, например, необходимо снизить содержание кислорода до 5%, значит, количество диоксида углерода должно возрасти за счет дыхания до 16%. Следовательно, при необходимости снизить также и содержание СО₂ в смеси, например до 5%, необходимо избыток СО₂ связать с каким-нибудь химическим поглотителем. Для этого составляют схему: камера хранения – скуббер (поглотительный аппарат) – камера хранения. Воздух из камеры хранения, обедненный кислородом и обогащенный СО₂, прокачивают через скуббирующее устройство, где избыток СО₂ связывается с химическим поглотителем, например, гидроксидом натрия, откуда воздух снова подается в камеру хранения. –При этом образуется бикарбонат натрия (NaOH+CO₂ = NaHCO₃). В рассмотренном примере можно добиться получения газовой смеси следующего состава (в %): О₂ –5, СО₂ – 5, N₂ – 90, или же любой другой, в которой сумма О₂ и СО₂ меньше 21%.

Субнормальные газовые смеси можно также создавать путем подачи их в камеру хранения из каких-либо внешних источников (специальных газогенераторов, баллонов).

В нормальных газовых смесях основным консервирующим фактором является накопление в атмосфере довольно значительных количеств СО₂. Снижение же концентрации кислорода, которое не очень значительно (до 11%), практически не влияет на процесс дыхания.

В субнормальных же смесях тормозящее действие на процесс дыхания оказывает не только накопление в атмосфере хранилища определенного количества СО₂, которого раньше в воздухе не было, но и резкое снижение – до 3-5% - количества кислорода, в результате чего замедляется процесс созревания плодов и, следовательно, стабилизируется на невысоком энергетическом уровне жизнедеятельность сырья.

Обычно применение субнормальных газовых смесей сочетают с использованием пониженных температур порядка 0-5⁰С.

Бывают также субнормальные смеси, в которых вовсе нет СО₂, а имеется всего 3-5% кислорода, остальная масса приходится на азот.

Необходимо отметить, что хотя хранение плодов в регулируемой атмосфере позволяет довести сроки хранения сырья до 6-8 мес, однако широкое распространение в промышленности осложняется крайней «капризностью» сырья в отношении оптимального состава газовых смесей. Трудно установить требуемый режим (более 5 суток).

Существует еще один вариант применения регулируемой атмосферы – это хранение растительного сырья в селективно-проницаемых пленках. Способ заключается в том, что плоды упаковываются в полиэтиленовые пакеты вместимостью 1-3 кг, ящики с полиэтиленовыми вкладышами вместимостью 25-30 кг или в полиэтиленовые контейнеры – мешки с диффузионными вставками из другого синтетического материала, являющегося селективно-проницаемым для газов, вместимостью 300-1000 кг. Поскольку полиэтиленовые пленки неодинаково (селективно) проницаемы для различных газов – как правило, для диоксида углерода больше, чем для кислорода, - образующийся при дыхании СО₂ выходит из пакета или контейнера в большем количестве, чем кислород, вследствие чего в емкостях создается вакуум. При этом пакет сжимается, а парциальное давление азота увеличивается. А так как пленка полиэтилена для азота проницаема, то он выходит из пакета, вакуум в котором настолько возрастает, что давлением наружного воздуха пленка пакета прижимается к плоду. В результате в таких емкостях создается модифицированная микроатмосфера, которую в известной мере можно регулировать, подбирая пленки с различной селективной проницаемостью для газов, сорта и количество плодов, а также температуру в хранилищах.

Маринование, спиртование, квашение и спиртовое брожение - методы консервирования, основанные на невозможности большинства микроорганизмов, особенно гнилостных, вызывающих порчу плодов и овощей, развиваться в кислой среде или в среде, содержащей спирт.

Дописать для стационара

 

АБИОЗ

Абиоз – это принцип консервирования, который базируется на полном прекращении жизнедеятельности клеток сырья и микроорганизмов

Этот принцип является основным, который обеспечивает длительность хранения пищевых продуктов, и на нем основываются такие методы, как применение антибиотиков и антисептиков, обработка ионизирующим излучением, обработка УФ-лучами, тепловая стерилизация и др.

Наиболее распространенным и надежным методом является тепловая стерилизация, которая может проводиться или с помощью нагрева паром горячей водой или током СВЧ.

Все указанные методы в конечном итоге приводят к смерти микробных клеток в результате изменений в протоплазме, белки которой коагулируют, что ведет к разрыву цитоплазменной оболочки. Инактивируются при тепловой обработке и ферменты, сохранившиеся в продукте к началу стерилизации.

 

В пищевой промышленности в основном применяют тепловую стерилизацию, которая на сегодняшний день обеспечивает при соблюдении технологии практически полную гарантию от отравления консервированной продукции.

Каждый микроорганизм и каждая клетка многоклеточных организмов имеют свой температурный оптимум.

Споры м.о. более терморезистентны (устойчивы), главным образом из-за низкого содержания влаги. Как известно, обезвоженные белки более устойчивы к термическому воздействию. Если коэффициент термостабильности вегетативных клеток бактерий и дрожжей в активной фазе роста принимать за 1, то у вирусов и фагов коэффициент термостабильности составит 1-5, у спор микромицетов – 2×10, у спор бактерий - 3×10⁶. Именно споры бактерий обладают исключительно высокой терморезистентностью и являются лимитирующим фактором, определяющим температурные режимы стерилизации сред.

 

Стерилизация является общим термином, обозначающим тепловую обработку консервов, проводимую с целью уничтожения микробов при любых температурах.

В более узком смысле стерилизация – это тепловая обработка при температурах 100⁰С и выше.

Тепловая обработка при температурах ниже 100⁰С называется пастеризацией.

При стерилизации погибают все формы микроорганизмов и споровые и вегетативные, а при пастеризации – только вегетативные

Существует еще один способ стерилизации, который называют тиндализацией, или повторной стерилизацией. Способ заключается в том, что консервы стерилизуют дважды или трижды с интервалами между варками 20-28 ч.. Тиндализация отличается от обычной стерилизации также тем, что каждая из варок в отдельности недостаточна для достижения нужной степени стерильности (например, стерилизуют при традиционной температуре, но каждый раз в течение короткого промежутка времени, или же каждый раз стерилизуют в течение обычного промежутка времени, но при более умеренной, чем полагается температуре). Оригинален и принцип, положенный в микробиологическую основу способа консервирования тиндализацией. При первой варке, которая недостаточна по продолжительности или температуре, погибает большинство вегетативных клеток бактерий. Часть же из них, в порядке самозащиты от изменившихся в неблагоприятную сторону условий внешней среды, успевает превратиться в споровую форму и тем самым «спасается» от действия высокой температуры. В течение межварочной суточной выстойки при комнатной температуре споры прорастают, образуя вегетативные клетки, которые погибают при повторных варках.

Задача, которая ставится перед процессом стерилизации, заключается в уничтожении лишь тех форм микроорганизмов, которые могут развиваться при обычных условиях хранения и вызывать при этом порчу консервов либо образовывать опасные для здоровья человека продукты своей жизнедеятельности. Некоторые же микроорганизмы, например сенная или картофельная палочки, в консервах не развиваются и являются в этом смысле безвредными. Добиваться их уничтожения нет смысла, тем более, что они очень термоустойчивы, и настройка процесса стерилизации на их уничтожение привела бы только лишь к излишнему ужесточению режима и ухудшению качества пищевого продукта.

Таким образом, в процессе стерилизации следует добиваться не абсолютной, а лишь промышленной стерильности, при которой в консервах должны отсутствовать возбудители порчи пищевых продуктов или патогенные и токсигенные формы и могут встречаться микроорганизмы, не способные развиваться и вызывать порчу консервов при обычных условиях хранения.

Консервы стерилизуют при температурах в диапазоне 75-120⁰С, при этом температура выбирается в зависимости от активной кислотности пищевого продукта, влияющей на термоустойчивость микроорганизмов.

В малокислых пищевых продуктах, рН которых выше 4,2 (овощные, рыбные, мясные консервы), хорошо развиваются всевозможные гнилостные анаэробные и другие микроорганизмы, споры которых очень термоустойчивы. Некоторые из них, как, например, возбудители ботулизма, являются токсигенными и чрезвычайно опасны. Поэтому такие консервы стерилизуют при температурах выше 100⁰С (112-125⁰С).

Если же рН ниже 4,2, то достаточно 100⁰С и ниже (75-95⁰С), чтобы подавить плесени и дрожжи, которые хорошо развиваются в кислой среде, но нетермоустойчивы. Снижают термоустойчивость в кислой среде и споры других микроорганизмов.

Наиболее опасным возбудителем пищевых отравлений считают Cl. Botulinum – это гнилостные м.о. – строгие анаэробы и сапрофиты, поэтому эти м.о. в условиях консервной тары находят хорошую питательную среду, кроме того эти м.о. обладают значительной термоустойчивостью и при недостаточной температурной обработке развиваются в консервированных продуктах и выделяют очень опасный токсин ботулизма (вызываемую болезнь вылечить можно только лишь на ранней стадии, летательный исход. Этот токсин считается в 1000 раз опасней синильной кислоты). Токсин ботулизма простой белок и не очень термоустойчив. Например, достаточно прогреть продукт при температуре 80⁰С несколько минут, чтобы уничтожить эти соединения. Считают, что возбудители ботулизма не развиваются в кислой среде (рН<4,2).

При периодическом методе стерилизации среду (материал) загружают в аппарат и там осуществляют 3 последовательные операции: подогрев до температуры стерилизации; выдержку при данной температуре; охлаждение до требуемой температуры (рис.).

Формула стерилизации:

А – время нагрева продукта до температуры стерилизации t;

В – время выдерживая продукта при температуре стерилизации t;

С – время охлаждения от температуры стерилизации до 40-45⁰С;

t - температура стерилизации;

р – противодавление, которое создается в аппарате, МПа (компенсирует давление в середине банки в результате теплового расширения и предотвращает срыв крышек и деформации).

Рис. Характер стерилизации среды в периодическом режиме