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【技术】包装食品最佳加热杀菌规程的研究

导言

  罐头食品和软包装食品等包装食品的加热杀菌一般通过汽杀或水杀等方式进行。食品的温度在比较短的时间内升至所设定的温度,其目的在于使食品中的微生物及芽孢失去活性。但是,实际工作中,往往是微生物及芽孢被加热失去活性,而食品的营养成分、颜色、组织结构和风味等品质也因此受到不良的影响。

  因此,罐头食品和软包装食品在加热杀菌时,最理想的杀菌效果是既能灭活其中的微生物及芽孢,又能将加热杀菌对食品品质的不良影响降到最低。为此,高温短时间杀菌的方式广受关注。据称,高温杀菌将微生物在短时间内杀灭,而食品品质所受到的不良影响相对较小。然而,高温杀菌同样存在一个问题,即容器内食品中心达到一定的杀菌效果时,容器内食品表层的杀菌温度已经过高,表层的食品品质因受到过度杀菌而劣化。为了克服这一矛盾,杀菌温度根据时间而作调整,即分阶段杀菌,以期获得高温杀菌的最佳效果。本研究以罐头食品和软包装食品为研究对象,从杀菌温度的曲线图论述包装食品加热杀菌的最佳效果。

微生物的杀灭和品质的劣化

 

  微生物的致死速度以及营养成分的劣化速度一般可以用下列公式表示:
dN/dt=-(ln10/D)N         (1)
  式(1)中,N为在时间t内微生物或营养成分的浓度,D是在一定温度下浓度减少到原来的1/10所需要的时间。可以用如下公式表示D值:
D=D0 exp{(θs-θ)/(Z/ln10)}       (2)
  式(2)中,D0是在设定基准温度θs下,浓度变为原来浓度的1/10所需要的时间;θ为被加热体的实际温度。Z值为使D值减小为原来的1/10所需要的温度差。
  微生物记为1,营养成分记为2,各自的起始浓度分别记为N10和N20,设定基准温度分别记为θ1s和θ2s,则,得到以下(3)和(4)两个浓度计算式:

时间T从0开始到杀菌结束时间tf,一定量的微生物被杀死,而营养成分则尽可能多的保持。这就是要研究的内容。
 
最佳杀菌条件


  1、食品营养成分的残存浓度N2的最大化
  杀菌结束时间tf后,式(3)的N1值已经确定,如何使式(4)的N2值保持最大就成了设定杀菌温度条件的关键所在。例如,某罐食品中有N10=105个嗜热脂肪芽孢杆菌(Bacillus stearothermophilus,下文简称BS),当杀菌时间t=tf时,N1=1,以此为前提,探求使食品营养成分浓度N2(起始值为1)最大的杀菌温度条件。
2、食品成分的C值(Cook-Value)最小化
  根据式(3)、(4),D10和D20为定数,则:

  F为定数,C值可以最小化。在杀菌学上,F称之为F值,表示杀菌的程度;C称之为C值,表示食品品质劣化程度。F值采用被加热体中最冷点位置的温度,因此式(5)中的θ可以采用容器的几何中心点温度θc。而C则采用被加热体全部的平均值,于是可以从式(6)推导出公式(7):

  V为全体积;dv为微分体积。
  当C作为被加热体表面的值时,则式(6)中的θ值采用被加热体的表面温度。
由此可见,所谓的最佳杀菌温度条件就是在t=tf时的F值为一定值的前提下,可以使C值降到最小的杀菌温度条件。
 
杀菌温度的最优化

  1、杀菌温度一定的情况下
  正如以上所述,实际的加热杀菌虽然杀灭了微生物及其芽孢,但同样对食品营养成分、颜色、组织机构、风味等起到一定的劣化效果。因此,罐头以及软包装食品的加热杀菌应理解为在达到所需要的杀菌效果的前提下尽可能避免加热对食品品质的劣化影响。

   最早开展加热杀菌最优化研究的是Teixeira领导的研究团队。他们将已知个数的微生物和一定浓度的硫胺素(即维生素B1,英文名称:thiamine)封于罐头中杀菌,在确定微生物个数低于一定值的前提下改变杀菌温度,以探求在达到一定的F值下硫胺素能获得最大残留的杀菌温度。杀菌温度一定的情况下,营养成分等品质受Z值的影响,最佳温度在120~140℃范围内寻找,并通过计算确定。Thijssen等人和Teixeira持相同观点,并通过大量计算后提出,罐头食品在一定的杀菌温度下,其营养成分及品质能得到最大保持的加热时间经Fourier变换后得到的Fourier系数后在0.45~0.55之间。(译者注:Fourier变换、中文译名“傅里叶”或“付立叶”,傅里叶变换能将满足一定条件的某个函数表示成三角函数(正弦和/或余弦函数)或者它们的积分的线性组合。最初傅里叶分析是作为热过程的解析分析的工具被提出的。)

  此外,在蒸煮袋装食品的杀菌研究中,Yamaguchi(译者注:日本人名,山口)等人用水气混合型杀菌釜对厚度为12~15mm的传导型食品在不同温度下进行杀菌,得出营养成分及组织结构保持最好的杀菌温度在135℃左右。同时,对于最有效抑制食品褐变的温度,研究认为,食品的厚度在20mm时采用130℃,15mm时135℃,8mm是则提高到140℃。

  Ohlsson的研究导入了C值,蒸煮袋装食品作为单一热传导型介质,使相应的Z值(反应速度增减10倍时所需的温度变化值)发生变化,分别计算食品表层、中心部和全体平均的C值,并求得C值最小的杀菌温度。结果发现,食品厚度越大,最佳杀菌温度越低,而食品的初温较低,或者升温时间较长等对最佳杀菌温度的影响并不大。
 
  2、杀菌温度曲线图的最优化

  2.1、最优化的方法
  在上述“杀菌温度一定的情况下”里所采用的实验方法显然无法适用对于因时间变化而杀菌温度不同的最优化试验。这种情况下,可以考虑以下几种优化试验方法——

  ①预先给定温度曲线,不断接近最优化温度曲线;
  ②应用最优化控制理论;
  ③应用多变量函数的最小化理论值;
  ④应用动态规划法。

  这些方法中,预先给定温度曲线的顺序接近法比较简单,并且通过Teixeira的研究已经应用在罐头食品的杀菌领域。Teixeira和其以前的研究持同样的观点,传导型食品罐头采用一定温度型、三角形、分段型以及正弦波型等几种温度曲线进行杀菌,通过改变变量的方式探求最优杀菌条件。参见图1所示。

  研究报告称,三角型和分段型效果较好。该研究预先给定不同的温度曲线,并在不同的温度曲线下寻求最佳杀菌条件,以找到接近理想化的最优化条件。

  Saguy则是采用列夫·庞特里亚金(译者注:俄国数学家、研究领域中包括优化控制理论和最小化原理)的优化控制理论,导入特殊的评价函数以探索在罐头食品加热杀菌时营养成分损失最小的最佳曲线。如图2所示,其中,最佳曲线类似三角型加热曲线。

  Nadkarni做了和Saguy类似的研究,但增加了利用开关原理(Bang-Bang原理)控制杀菌温度升温速率额下降速率,以探求最佳温度曲线。
Banga研究团队采用复合型法,在固定杀菌时间的前提下,推出新的计算方法来解决杀菌条件的优化问题。

  笔者选用适合于一次元热传导理论的扁平状蒸煮袋包装食品作为被加热体,以厚度方向中西点的F值作为定值,以被加热体的C值最小化作为评价标准,分别用①到④的方法尝试性地探索最佳杀菌温度曲线。结果,无论用那种方法,所得到的结果曲线几乎一致。

  综上所述,最优化控制理论已经被Saguy和Nadkarni应用到罐头食品杀菌领域。他们是利用列夫·庞特里亚金的控制原理进行最优化控制应用,而笔者的研究则是应用有条件的变分法进行最优化控制理论。包括Banga在内,他们的研究都是在限定或固定终端状态下进行的,而笔者的研究则是将终端状态量的限定和终端时间作为未知问题而展开的。多变量函数的最小化理论和动态规划法在这个领域的应用研究尚属首次。动态规划法的最优化控制系统里,虽然可以考虑状态方程式和评价函数来构成多段决定过程,但既有的数值解法却不能原封不动地应用到本研究上。以下为笔者所开展的研究中,重点就①预先给定温度曲线,不断接近最优化温度曲线的方法和②应用最优化控制理论进行论述。

图2、Saguy的计算结果

  2.2 预先给定温度曲线,不断接近最优化温度曲线的方法

  首先,作为直接的方法,预先确定好具体的杀菌温度曲线,然后分析各温度曲线的最佳条件组合。

  温度曲线分为以下五个类型:1)标准型;2)倾斜上升型;3)倾斜下降型;4)三角型;5)平台型。在此,以一次元热传导为对象,被加热体表面温度作为杀菌温度,温度计算采用理论结算。被加热体的厚度为10mm,温度传导率为9.6(mm/min),初温20℃,冷却温度20℃。其它系数定为:F=5(min)(固定),Z1=10(℃),Z2=25(℃),θ1s=121.1(℃),θ2s=100(℃)。Z2根据所选择的研究对象是营养成分、或颜色、或组织结构而不同,本研究以褐变反应作为研究对象。

  图3以被加热体介质全体平均C值作为对象时,标准型、倾斜上升型、倾斜下降型、三角型和平台型等各种温度曲线类型的最佳曲线。其中,C值从大到小依次为标准型、倾斜下降型、倾斜上升型、三角型和平台型,可见,平台型的效果最好。应该认为,以表层C值为对象的情况下结果也是一样。杀菌温度的上升斜度在以介质平均C值为对象的情况下,倾斜上升型、三角型和平台型都为约0.3(℃/min),而以介质表层C值为对象时则为0.15(℃/min),这样的斜度可以得到最优杀菌条件,结果的确引人深思。

图3、各曲线类型的最佳曲线

  2.3 关于最优化控制理论的应用
  (译者注:本小节运用高等数学中最优化原理以及评价函数,对F值固定而C值最小的杀菌温度类型进行运算比较,以探求杀菌曲线的最优化。因篇幅牵涉到大量的高数理论计算,实用价值有限,谨此省略。有兴趣的读者可以来电探讨。)

结语

  综上所述,罐藏食品热力杀菌的最佳状态是在达到一定杀菌效果的前提下,尽可能地减少热对食品品质造成的不良影响。为此,科学家们引入C值的数学模型,并运用最优化控制理论,力求对杀菌的温度、时间、食品品质等多因素进行综合评价,选用最佳杀菌温度或杀菌温度曲线。随着杀菌机控制技术的日益提高,在杀菌机械上通过电脑快速计算自动进行最优化杀菌也已经成为可能。本文介绍的最优化原理和采用的基本思路和方法,期望在不久的将来有更多技术人员加入到研究行列中,共同推进包装食品的最优化杀菌技术的实用化。

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