Tài liệu Nguyên lý sản xuất đồ hộp thực phẩm

Nguyên lý sản xuất đồ hộp thực phẩm Th.S Nguyễn Lê Hà THANH TRÙNG ĐỒ HỘP I / MỤC ĐÍCH VÀ PHÂN LOẠI PHƯƠNG PHÁP THANH TRÙNG I.1 / Mục đích thanh trùng: Thực phẩm trước khi cho vào hộp và được ghép mí kín đã trải qua các công đoạn xử lý như rửa, chần, hấp, rán, hun khói… Số vi sinh vật bám trên nguyên liệu thực phẩm đã giảm xuống nhiều nhưng vẫn còn một lượng lớn sống xót hoặc xâm nhập từ môi trường bên ngoài vào thực phẩm trong quá trình chế biến. Đồ hộp chưa được vô trùng vì vậy không thể bảo quản được lâu. Để bảo quản đồ hộp trong thời gian dài không bị hư hỏng biến chất cần phải tiêu diệt các vi sinh vật sống sót ấy – người ta gọi đây là quá trình thanh trùng. Thanh trùng bằng nhiệt còn có tác dụng làm tăng phong vị của đồ hộp, làm nhừ kết cấu tổ chức của thực phẩm. Có điều cần lưu ý về nhiệm vụ của quá trình thanh trùng là nhằm tiêu diệt chỉ các loại vi sinh vật có khả năng phát triển ở điều kiện bảo quản bình thường, đồng thời làm hư hỏng đồ hộp hoặc tạo ra các chất nguy hại đối với sức khỏe con người. Một số vi sinh vật như trực khuẩn khoai tây Bac.licheniformis hay Bac.subtylis không phát triển được trong đồ hộp và vô hại. Việc tiêu diệt chúng không có ý nghĩa, hơn nữa chúng rất bền với nhiệt, cố tình tiêu diệt chúng chỉ có thể dẫn đến hậu quả phung phí năng lượng và giảm chất lượng thực phẩm. Như vậy quá trình thanh trùng cần đạt được không phải độ vô trùng tuyệt đối mà chỉ cần đạt được độ vô trùng côn nghiệp, nghĩa là trong đồ hộp không được tồn tại các vi sinh vật có thể gây hư hỏng thực phẩm hoặc các loại tạo độc tố, và có thể gặp các vi sinh vật không có khả năng phát triển và gây hư hỏng đồ hộp ở các điều kiện bảo quản bình thường. I.2 / Phân loại phương pháp thanh trùng: Để đạt được mục đích thanh trùng, đồng thời đảm bảo phẩm chất của đồ hộp thực phẩm, người ta áp dụng nhiều phương pháp thanh trùng như: - Dùng nhiệt độ để thanh trùng - Thanh trùng bằng chất kháng sinh, chất hóa học - Thanh trùng bằng tia tử ngoại - Thanh trùng bằng dòng điện cao tần - Thanh trùng bằng sóng siêu âm - Thanh trùng bằng điện ly Các phương pháp trên có thể sử dụng độc lập hoặc kết hợp phương pháp này với phương pháp khác, nhằm nâng cao hiệu quả thanh trùng (chất kháng sinh + nhiệt độ, tia tử ngoại + nhiệt độ…) Hiện nay phương pháp thanh trùng phổ biến nhất là thanh trùng bằng nhiệt. Người ta chia nó làm ba phương pháp nhỏ là: - thanh trùng ở nhiệt độ thấp - thanh trùng ở nhiệt độ cao - thanh trùng gián đoạn II / CÁC THÔNG SỐ CỦA QUÁ TRÌNH THANH TRÙNG BẰNG NHIỆT Đồ hộp sau khi đã được ghép mí kín sẽ được thanh trùng. Quá trình thanh trùng bằng nhiệt được thực hiện theo thứ tự chung như sau: đồ hộp được xếp vào thiết bị thanh trùng, trong đó nhiệt độ tăng từ từ đến mức nhất định. Nhiệt độ cần thiết này được giữ trong khoảng thời gian nhất định, sau đó từ từ hạ thấp. Cuối cùng hộp đã qua thanh trùng được lấy ra khỏi thiết bị. Như vậy các thông số cơ bản của quá trình thanh trùng là nhiệt độ cần đạt được và duy trì trong thiết bị thanh trùng, và thời gian cần thiết nung nấu đồ hộp. Hai thông số này có thể gọi là thông số vi sinh vật vì chúng quyết định việc tiêu diệt vi sinh vật. Việc theo dõi kém chặt chẽ, kỹ lưỡng các thông số này dẫn tới sự hư hỏng đồ hộp do vi sinh vật sau vài ngày, hay đôi khi vài tuần… sau khi thanh trùng (hiện tượng tạo khí, biến chua, lên mốc…). Nếu nhiệt độ thanh trùng cao hơn 100oC và ta dùng hơi nước để thanh trùng thì cần phải tạo ra áp suất cao tương ứng bằng cách dùng hơi nước bão hòa. Áp suất này không được coi là thông số thứ ba. StoneyFace Page 1 of 37 Thanh trùng đồ hộp Nguyên lý sản xuất đồ hộp thực phẩm Th.S Nguyễn Lê Hà Nhưng nhiều trường hợp quá trình thanh trùng được thực hiện ở áp suất cao hơn áp suất cần thiết để đạt được nhiệt độ thanh trùng định trước. Điều này thường xảy ra khi thanh trùng hộp thủy tinh hay hộp sắt ở nhiệt độ cao, áp suất bên trong hộp quá lớn có thể gây hư hỏng vỏ hộp, làm bung nắp ra khỏi miệng hộp thủy tinh. Ta cần tạo ra “áp suất” thêm nhằm cân bằng áp suất bên trong hộp, gọi là áp suất đối kháng. Đây là thông số thứ ba của quá trình thanh trùng. Thông số này không gây ảnh hưởng gì đến sự tiêu diệt vi sinh vật và là thông số vật lý. Tuy nhiên có vai trò không kém gì nhiệt độ và thời gian. Đối với mỗi loại đồ hộp, các thông số của quá trình thanh trùng không giống nhau. Xét sau đây các yếu tố ảnh hưởng đến thông số của quá trình thanh trùng và lựa chọn chế độ chế biến nhiệt cho các đồ hộp. II.1 / Nhiệt độ thanh trùng – các yếu tố quyết định sự lựa chọn nhiệt độ thanh trùng: Các sản phẩm đồ hộp là môi trường rất thuận lợi cho vi sinh vật phát triển. Tuy nhiên không phải trong mỗi sản phẩm vi sinh vật đều có thể phát triển thuận lợi như nhau bởi vì chúng rất nhạy với độ acid hoạt động của môi trường trong đó chúng sống. Các thực phẩm đồ hộp nói chung đều được coi là môi trường chua, vì độ pH của chúng nói chung đều nhỏ hơn 7 (trừ một số trường hợp vô cùng hiếm). Tuy nhiên điều này còn chưa đủ để cho ta khả năng đánh giá về sự hiện diện và tồn tại của vi sinh vật trong môi trường. Các nhà vi sinh vật học đánh giá độ chua của thực phẩm dựa trên phẩn ứng của Cl. Botulinium với độ acid của môi trường. Cl.botulinium là vi sinh vật gây hư hỏng nguy hiểm nhất đối với sứa khỏe con người. Nó là loại vi sinh vật kỵ khí sinh nha bào tùy tiện, có khả năng tạo ra chất độc. Môi trường thực phẩm trong hộp đã bài khí và ghép mí kín là môi trường thích hợp cho Cl. Botulinium phát triển. Người ta phân biệt 6 loại Cl. Botulinium A, B, C, D, E và F. Trong đó loại A và B là nguy hiểm nhất vì chúng rất bền với nhiệt. Các loại này có khả năng phân hủy protid động và thực vật, chúng cũng phân hủy cà glucid và tạo khí. Bản thân Cl. Botulinium không thể gây hại gì cho cơ thể chúng ta vì chúng không có khả năng phát triển và gây nguy hại ở cơ thể sống của chúng ta cũng như động vật. Chúng chỉ phát triển được ở môi trường đã chết, nghĩa là chúng có thể phát triển được ở tất cả thực phẩm trừ rau, hoa quả tươi. Trong quá trình sống và phát triển Cl. Botulinium sản sinh ra độc tố vô cùng nguy hại đối với sức khỏe và cuộc sống con người. Nhiều nhà khoa học nhận xét rằng độc tố do Cl. Botulinium tao ra mạnh hơn HCN cả ngàn lần. Tuy nhiên sự so sánh này không được chính xác lắm bởi vì khi nghe như vậy ta có cảm giác độc tố của Cl. Botulinium tác dụng nhanh và gây tử vong nhanh. Thật sự độc tố của Cl. Botulinium là chất độc hại đối với hệ thần kinh và tác dụng chậm, nó có tác dụng sau 8-12h, đôi khi còn chậm hơn. Bệnh nhân chỉ có thể được cứu sống nếu như được truyền huyết thanh chống Cl. Botulinium lúc mới bị ngộ độc. Như vậy khi nói đến tác dụng độc hại của Cl. Botulium ta không nói đến tác dụng nhanh hay chậm mà là nói đến nồng độ. Chỉ 10-5mg độc tố này có tác dụng giết chết một lợn biển. Thường thường các sản phẩm bị nhiễm độc tố của Cl. Botulinium có biểu hiện hư hỏng dễ nhận thấy: cơ thịt rữa, có mùi khó chịu, có hiện tượng tạo khí do đó nắp hộp phồng lên. Tuy nhiên có không ít trường hợp sản phẩm đã bị nhiễm độc nhưng bề ngoài và mùi vị thành phẩm không có gì biến đổi, vì vậy dễ dàng bị trúng độc mà không hay biết vì triệu chứng biểu hiện việc ngộ độc xuất ra chậm. Độc tố Cl. Botulinium không bền với nhiệt, chỉ cần đun 20-30’ ở nhiệt độ 80oC là có thể diệt hoàn toàn nó. Nếu trước khi sử dụng đồ hộp ta đun nóng thì độc tố này sẽ trở nên hoàn toàn vô hại. Tuy nhiên phần lớn đồ hộp mà trong đó Cl. Botulinium có khả năng phát triển lại thường được sử dụng ở dạng nguội (nước giải khát làm từ cà chua, đồ hộp rau thái miếng, cá thái miếng…) vì vậy phương pháp đun nóng đồ hộp trước khi dùng ít khi được thực hiện. Trong đồ hộp không phải chỉ có Cl. Botulinium có khả năng phát triển, còn nhiều vi sinh vật gây hư hỏng bền nhiệt hơn như C. sporogenes, C. perfringes, C.putrificum. Các vi sinh vật kỵ khí này thường là nguyên nhân gây hư hỏng đồ hộp thịt và cá. Tuy nhiên biểu hiện hư hỏng của đồ hộp bởi các vi sinh vật này rất rõ ràng: mùi khó chịu, thực phẩm rữa nát, bọt khí… Æ không ai ăn nhầm, và độc tố của các vi sinh vật này cũng không độc như của Cl. Botulinium. Vì vậy trên toàn thế giới người ta cho rằng phải thanh trùng để diệt hết Cl. Botulinium trong đồ hộp và bảng phân loại thực phẩm cũng dựa trên phản ứng của nó trong môi trường có độ acid. StoneyFace Page 2 of 37 Thanh trùng đồ hộp Nguyên lý sản xuất đồ hộp thực phẩm Th.S Nguyễn Lê Hà Trước kia người ta cho rằng Cl. Botulinium không thể phát triển trong đồ hộp có độ acid nhỏ hơn 4.5. Vì vậy các sản phẩm có pH ≤ 4.5 được coi là chua, các sản phẩm có pH > 4.5 được coi là ít chua. Tuy nhiên thời gian sau này các thí nghiệm đã chứng tỏ rằng chúng có thể phát triển ngay cả ở môi trường có độ acid cao hơn. Vì vậy giá trị pH này dần dần giảm xuống, đầu tiên là 4.4 sau đó còn 4.2. Đối với các vi sinh vật khác: ¾ Vi sinh vật kỵ khí gây mốc: phát triển tốt nhất là ở pH ≥ 6.0, có thể phát triển trong khoảng pH 4.5-5.0 mà không sinh khí. ¾ Vi sinh vật kỵ khí có độ bền nhiệt cao như C. themosaccharo. cyticum phát triển khá tốt ở pH 4.5-5.0 gây rửa nát, phân hủy glucid tạo khí, do vậy làm phồng hộp. ¾ B. stearothermophilus – bền nhiệt, làm chua thực phẩm nhưng không tạo khí, phát triển ở môi trường ít chua, đặc biệt là chứa nhiều đường và tinh bột. ¾ Trong đồ hộp không chua thậm chí cũng có thể phát triển các vi sinh vật bền nhiệt thuộc nhóm ưa khí sinh nha bào – cho dù trong hộp ít không khí, chúng gây hư hỏng đồ hộp cá thịt, ngô đậu, thường gây phồng hộp. Môi trường hoạt động của chúng là môi trường không chua. ¾ Có rất nhiều vi sinh vật (các virus, nấm mốc, nấm men – có khả năng tạo nha bào hoặc không) phát triển mạnh ở môi trường có độ acid cao, nhưng chúng lại không bền với nhiệt. Như vậy các đồ hộp thực phẩm có thể phân làm 2 nhóm: ít chua (pH≥4.2) và chua (pH≤4.2). Nhóm đồ hộp ít chua thanh trùng ở nhiệt độ > 100oC, thường người ta hay sử dụng nhiệt độ 112120oC, đôi khi 125-130oC. Nhóm đồ hộp chua được thanh trùng ở nhiệt độ ≤100oC, nhưng không thấp hơn 75-80oC. Nhóm đồ hộp ít chua gồm đồ hộp cá, thịt, sữa, rau. Nhóm đồ hộp chua gồm tất cả các đồ hộp hoa quả, nước quả đường, nước quả ép… Tuy nhiên sự phân loại đồ hộp ra làm 2 nhóm này chỉ là gần đúng. Thời gian sau này người ta tìm ra một loạt những trường hợp cần lưu ý khi chọn nhiệt độ thanh trùng. 9 Nước cà chua giải khát có pH 4.0-4.5 lại là môi trường, ở những điều kiện xác định, rất thuận lợi cho Cl. Botulinium phát triển và tạo độc tố. Từ năm 1973 trở đi, người ta thanh trùng nước cà chua ở nhiệt độ 120oC như là đồ hộp thuộc nhóm ít chua 9 Nước mơ đục có pH 3.8-3.9 cũng là môi trường thích hợp cho các botuliz. Vì vậy người ta thanh trùng nước mơ đục (và các độ hộp sản xuất từ mơ nói chung) ở nhiệt độ 110oC, hoặc hạn hữu ở 100oC nếu pH<3.8. 9 Các salad dầu dấm chế biến từ rau tươi (bắp cải, ớt ngọt, cà chua, cà rốt, hành, củ dền) có pH trong khoảng 3.7-4.2 nhưng lại được thanh trùng ở nhiệt độ 112-120oC vì trong đồ hộp này có dầu và bản thân rau là thành phần ít chua, lượng dấm trộn vào đồ hộp chưa kịp phân bổ đều khắp thể tích sản phẩm trong thời gian thanh trùng. 9 Các sản phẩm cà chua cô đặc có pH>4.2 nhưng lại thường thanh trùng chỉ ở nhiệt độ 100oC vì cà chua cô đặc không phải là môi trường thuận lợi cho các botuliz và các loài yếm khí phát triển. Như vậy, ngoài các trường hợp đáng lưu ý đã kể trên, có thể chấp nhận sự phân chia đồ hộp thực phẩm theo chỉ số pH thành hai nhóm: • Nhóm có pH>4.2 : nhiệt độ thanh trùng từ 100oC trở lên. • Nhóm có pH≤4.2 : nhiệt độ thanh trùng là 100oC hay thấp hơn. Thanh trùng là thuật ngữ chung chỉ quá trình gia công nhiệt cho đồ hộp ở một nhiệt độ bất kỳ nào đó, nằm mục đích tiêu diệt vi sinh vật trong hộp. StoneyFace Page 3 of 37 Thanh trùng đồ hộp Nguyên lý sản xuất đồ hộp thực phẩm Th.S Nguyễn Lê Hà Ta phân biệt ba dạng thanh trùng: • Thanh trùng ở nhiệt độ cao – thanh trùng ở nhiệt độ >100oC • Thanh trùng ở nhiệt độ thấp – thanh trùng ở nhiệt độ ≤100oC • Thanh trùng gián đoạn hay thanh trùng lặp lại – đồ hộp được xử lý gia công nhiệt 2 hay 3 lần, khoảng thời gian giữa các lần nấu là 20-28h. Phương pháp thanh trùng gián đoạn khác với các phương pháp thanh trùng thông thường ở chỗ mỗi lần gia công nhiệt ở đây không đạt được độ vô trùng cần thiết. Ví dụ người ta thanh trùng ở nhiệt độ như bình thường nhưng mỗi lần chỉ nấu trong thời gian rất ngắn. Hoặc người ta cũng nấu trong khoảng thời gian như bình thường nhưng ở nhiệt độ thấp hơn so với nhiệt độ cần thiết cho loại đồ hộp này. Ví dụ: • Đồ hộp mơ đào nước đường: Thanh trùng 1 lần 40-50’ ở nhiệt độ 100oC. Thanh trùng 3 lần ở 100oC, mỗi lần 5’ Æ Quả không bị rữa nát, có độ chắc cứng. • Đồ hộp “thịt lợn phi lê” Theo bảng chọn nhiệt độ thanh trùng phụ thuộc độ acid phải thanh trùng ở nhiệt độ 115120oC – Người ta thanh trùng ở nhiệt độ 100oC. Nấu 60-70’ ở nhiệt độ này, sau đó làm nguội và để giữ 20-28h ở nhiệt độ phòng (18-20oC) rồi nấu 60-70’ lần hai. Thanh trùng ở nhiệt độ thấp hơn như vậy cho phép ta giữ được độ mềm mà dai chắc của thịt – điều ta khó đạt nếu thanh trùng một lần ở nhiệt độ 115-120oC. Trên cơ sở vi sinh vật học, nguyên tắc của phương pháp thanh trùng gián đoạn này được giải thích như sau: ở lần nấu đầu tiên một số lượng lơn vi khuẩn bị tiêu diệt. Một số ít đã kịp chuyển sang dạng nha bào khi môi trường bên ngoài chuyển sang chiều hướng không thuận lợi cho chúng, nghĩa là nhiệt độ tăng lên như vậy. Trong thời gian giữ đồ hộp ở nhiệt độ phòng (1820oC) trước khi đem nấu lần 2 các nha bào sẽ trở lại trạng thái bình thường và bị tiêu diệt do tác dụng của nhiệt độ trong lần nấu thứ 2. Tuy nhiên có điều cần lưu ý là các đồ hộp sản xuất từ thịt, do yêu cầu cảm quan không nên thanh trùng ở nhiệt độ >100oC và được thanh trùng lặp lại ở nhiệt độ <100oC hay thậm chí thanh trùng lặp lại ở nhiệt độ 100oC không phải là đồ hộp “thật sự” theo cách hiểu thông thường của khái niệm này. Thời hạn bảo quản của các đồ hộp này giới hạn trong khoảng 3-6 tháng đến 1 năm ở nhiệt độ đã được hạ thấp chẳng hạn <15oC Æ ta gọi là đồ hộp ¾ hoặc nhiệt độ 0-5oC Æ đồ hộp ½ hay bán đồ hộp. Ví dụ: các đồ hộp sản xuất từ thịt muối, thịt hun khói. Dù sao đi nữa việc áp dụng phương pháp thanh trùng gián đoạn không mấy thuận tiện. Bởi vì trong sản xuất và trong tiêu thụ ta cũng gặp khó khăn rất nhiều. Ngoài việc trong sản xuất tốn công, trong bảo quản đồ hộp 3/4 , đồ hộp ½ cũng gặp rắc rối không ít. Ta cần bảo quản ở nhiệt độ <15oC hay 0-5oC – việc này tốn kém và đòi hỏi phải kiểm tra thường xuyên, cái việc mà không phải lúc nào ta cũng có thể làm được (ở cửa hàng không có máy lạnh, khi vận chuyển, tới người tiêu dùng). Mà nếu không thể đảm bảo được nhiệt độ cần thiết đã được quy định, hoặc thời hạn bảo quản đồ hộp thì sẽ dẫn tới những hậu quả không hay, thậm chí nguy hiểm bởi vì trong đồ hộp dù thế nào chăng nữa vẫn còn sót lại một số lượng các vi khuẩn có khả năng gây hư hỏng đồ hộp và nguy hại cho con người. Các “đồ hộp thực sự”, nghĩa là không cần bảo quản ở các điều kiện môi trường quy định trước như nhiệt độ, thời gian bảo quản, không phải là có độ vô trùng tuyệt đối, trên thực tế ta không sản xuất ra được loại đồ hộp 100% vô trùng mà chỉ đạt được các đồ hộp có độ vô trùng công nghiệp II.2 / Các yếu tố xác định thời gian thanh trùng: Thanh trùng là quá trình xử lý nhiệt cho đồ hộp nhằm mục đích tiêu diệt các vi sinh vật trong đồ hộp sau khi ghép mí để bảo quản đồ hộp được lâu dài. Khi thanh trùng, ta nâng nhiệt độ trong thiết bị thanh trùng đến mức nhất định, sau đó giữ nhiệt độ đó trong khoảng thời gian cần thiết, sau cùng là làm nguội. Như vậy thời gian thanh trùng bao gồm hai khoảng: thời gian nâng nhiệt và thời gian giữ nhiệt. StoneyFace Page 4 of 37 Thanh trùng đồ hộp Nguyên lý sản xuất đồ hộp thực phẩm Th.S Nguyễn Lê Hà Trong phòng thí nghiệm, trên nhà máy, người ta xác định thời gian thanh trùng ra sao? Để trả lời cho câu hỏi này, người ta bắt đầu từ khái niệm thời gian tiêu diệt: nếu ta bỏ vi sinh vật vào một ống thủy tinh mỏng gắn hai đầu sau đó nhúng vào nước sôi hay nói chung vào môi trường đã được nung nóng trước, thì vi sinh vật sẽ chết. Tuy nhiên việc này không xảy ra lập tức. Để tiêu diệt vi sinh vật ở nhiệt độ thanh trùng nào đó cần một khoảng thời gian nhất định tương ứng. Khoảng thời gian này được gọi là thời gian tiêu diệt. Người ta có thể xác định thời gian tiêu diệt ở một nhiệt độ cho trước bằng cách chuẩn bị một số ống đường kính rất nhỏ, thành mỏng; ống cần mỏng để có thể bỏ qua thời gian nung nóng ống, và ta có thể tính thời gian từ lúc bắt đầu cho ống vào môi trường đã được chuẩn bị nóng trước. Cứ mỗi khoảng thời gian nhất định (5’ một) ta lấy một hay vài ống ra, lập tức làm lạnh bằng nước đá để nhiệt độ không tác dụng lên vi sinh vật nữa, sau đó phân tích mẫu: ta xác định thời điểm khi mà trong ống không còn nha bào sống nữa. Thời gian từ khi thả ống vi sinh vật vào môi trường đã đun nóng đến nhiệt độ nhất định tới khi các vi sinh vật đã bị tiêu diệt là thời gian tiêu diệt vi sinh vật ở nhiệt độ cho trước. Tuy nhiên khái niệm thời gian tiêu diệt chỉ được dừng với ý nghĩa gần đúng, cho chúng ta thuận tiện khi nói về quá trình tiêu diệt vi sinh vật. Bởi vì trên thực tế, khi thanh trùng đồ hộp tiêu diệt hoàn toàn các vi sinh vật và nha bào trong môi trường ẩm là việc không thể được. Thanh trùng càng lâu, số lượng vi sinh vật sống sót giảm xuống, ngày càng ít đi, nhưng vẫn còn một lượng vi sinh vật nào đó còn sót lại. Trở lại việc xác định thời gian tiêu diệt ở trên: số lượng ống ta lấy để làm thí nghiệm ít, vì vậy việc trong ống không còn vi sinh vật sống sót chỉ có thể hiểu là như vậy số vi sinh vật sống sót đã giảm xuống dưới mức 1 tế bào / ống. Nếu làm thí nghiệm nhiều ống Æ vẫn còn 10-n Ta quay trở về với vấn đề thời gian thanh trùng đồ hộp. Tương tự thí nghiệm trên, nếu ta xếp đồ hộp vào thiết bị thanh trùng và tất cả các phần của đồ hộp đều đạt được nhiệt độ thanh trùng cần thiết ngay lập tức thì thời gian tiêu diệt mà ta xác định nhờ phương pháp ống cũng chính là thời gian thanh trùng cần thiết cho thanh trùng đồ hộp. Tuy nhiên, khi thanh trùng đồ hộp bằng nước hay hơi nóng thì không phải toàn bộ các phần của hộp đều nóng lên, đạt nhiệt độ cho trước lập tức. Phần thực phẩm ở ngoài cạnh vỏ hộp sẽ nóng lên trước, rồi từ từ mới tới phần bên trong, sau cùng là phần xa vỏ hộp nhất – phần ở gần tâm hình học của hộp. Như vậy phần trung tâm hộp cũng có vi sinh vật như các phần khác nhưng lại bắt đầu được thanh trùng chậm nhất, chậm hơn nhiều so với lớp ngoài. Do đó vi sinh vật ở đây có khả năng sống sót nhiều hơn so với vi sinh vật ở các lớp ngoài, và khi ta nói thời gian tiêu diệt vi sinh vật có nghĩa là ta đang nói đến các tế bào vi sinh vật các phần tử ở phần tâm hộp. Thời gian tiêu diệt được tính bắt đầu từ thời điểm trung tâm hộp đạt được nhiệt độ định trước chứ không phải từ lúc bắt đầu đun nóng hộp trong thiết bị thanh trùng. Một cách gần đúng: Thời gian thanh trùng = thời gian truyền nhiệt vào tâm hộp + thời gian tiêu diệt (thời gian cần thiết để diệt vi sinh vật ở trung tâm hộp, bắt đầu từ lúc đạt được nhiệt độ định trước) Tuy nhiên cách tính thời gian thanh trùgn này không được đúng. Vì trên thực tế vi sinh vật ở tâm hộp bị tiêu diệt không phải chỉ từ lúc tâm hộp đạt được nhiệt độ định trước mà từ sớm hơn, lúc tâm hộp chưa đạt được nhiệt độ định trước. Vì vậy : T thanh trùng ≠ T truyền nhiệt + T tiêu diệt f (T truyền nhiệt , T tiêu diệt) Mà phải nói : T thanh trùng = T thanh trùng phụ thuộc vào những yếu tố gì? T truyền nhiệt (thời gian truyền nhiệt vào tâm hộp – phụ thuộc các yếu tố nhiệt lý) - Tính chất vật lý của thực phẩm - Tính chất vật lý của vật liệu làm vỏ hộp và độ dày vỏ hộp - Kích thước hình học của hộp - Nhiệt độ ban đầu của thực phẩm - Nhiệt độ cuối của sản phẩm - Nhiệt độ thanh trùng - Trạng thái của hộp khi thanh trùng (đứng yên hay chuyển động quay) StoneyFace Page 5 of 37 Thanh trùng đồ hộp Nguyên lý sản xuất đồ hộp thực phẩm Th.S Nguyễn Lê Hà T tiêu diệt (thời gian tiêu diệt vi sinh vật) - Nhiệt độ thanh trùng - Thành phần hóa học của đồ hộp III / CÔNG THỨC THANH TRÙNG: III.1 / Các yếu tố ảnh hưởng đến thời gian tiêu diệt: III.1.1 / Mối tương quan giữa thời gian và nhiệt độ thanh trùng Ta không thể nói về thời gian tiêu diệt mà không tính đến nhiệt độ thanh trùng, cũng như không thể nói về nhiệt độ mà thiếu thời gian cần thiết phải thanh trùng. Không có nhiệt độ xác định nào là nhiệt độ tiêu diệt của một loài vi sinh vật cả. Vi sinh vật có thể bị tiêu diệt ở các nhiệt độ khác nhau, bắt đầu từ khoảng 60oC. Vấn đề là ở nhiệt độ xác định nào đó, người ta cần thời gian bao lâu để tiêu diệt vi sinh vật. Như vậy đối với mọi loài vi sinh vật, hiệu quả tiêu diệt không thể xác định chỉ bằng một yếu tố nhiệt độ mà là sự kết hợp nhiệt độ và thời gian tiêu diệt. Dĩ nhiên là mối quan hệ giữa thời gian tiêu diệt và nhiệt độ là mối tương quan tỷ lệ nghịch, nghĩa là khi nhiệt độ thanh trùng tăng thì thời gian tiêu diệt giảm và ngược lại. Tuy nhiên khi nhiệt độ thanh trùng tăng, thời gian tiêu diệt không chỉ đơn giản giảm xuống mà nó giảm xuống vô cùng nhiều. Người ta đã thí nghiệm với Cl. Botulinium và thu được các số liệu sau: Nhiệt độ , oC 100 105 110 115 120 Thời gian tiêu diệt , phút 330 100 32 10 4 Từ các số liệu trên, ta thấy rõ là việc nâng nhiệt độ lên không nhiều đem lại kết quả là thời gian thanh trùng giảm xuống rất rõ rệt. Đường cong biểu diễn mối quan hệ “thời gian – nhiệt độ” của C. sporegenes ở hình Ttd,phút Bigeloi nhận ra điều đặc biệt là nếu đường cong biểu diễn thời gian tiêu diệt được trên hệ trục tọa độ bán logarit : với trục hoành là nhiệt độ (oC) như bình thường và trục tung là giá trị logarit của thời gian tiêu diệt thì lúc ấy đường cong biểu diễn sẽ trở thành đường thẳng. Như thế, mối quan hệ “thời gian tiêu diệt – nhiệt độ” đối với Cl. Botulinium theo số liệu của Bill có dạng như ở hình 1 Việc các đường biểu diễn có dạng đường thẳng khi vẽ trong hệ trục tọa độ bán logarit cho ta khả năng khắc họa chúng bằng các biểu thức đơn giản. t (oC) Ttd, ph B Hình 3 z E D lg y M (0, lg T) lg T o Hình 2 tC O α Ta x A P (Tc) a Giả sử ta cần lập phương trình đường thẳng cắt hệ trục tọa độ bán logarit như ở hình 3. Cho rằng đường thẳng cắt trục tung ở điểm B, trục hoành ờ điểm A, nhiệt độ thanh trùng được biểu diễn trên trục hoành ở đơn vị độ như thường theo trình tự tăng từ trái qua phải – trên trục tung là giá trị logarit của thời gian tiêu diệt theo thứ tự tăng từ dưới lên trên. StoneyFace Page 6 of 37 Thanh trùng đồ hộp Nguyên lý sản xuất đồ hộp thực phẩm Th.S Nguyễn Lê Hà Kết luận thu được dưới đây có một số điểm đặc biệt so với phương pháp hình học thông thường. Thứ nhất, ở điểm O là giá trị của nhiệt độ thanh trùng bất kỳ nào đó cho trước Ta (ví dụ 100oC, ở điểm P là giá trị của nhiệt độ chuẩn để so sánh Tc (ví dụ 120oC). Như vậy thì trục y đi qua điểm P (Tc), đấy chính là đểim gốc tọa độ. Lúc này tọa độ B sẽ là hoành độ OP – x, tung độ OB – lg y. Tọa độ M (trục tung đi qua nó) sẽ là trục hoành : 0 , trục tung MP – lg T Xét 2 tam giác đồng dạng BOA và MPA: Đặt OA = a , lúc đó PA = a – x. Từ quy tắc đồng dạng ta có : BO / MP = OA / PA Hay : lg(y) / lg(T) = a / (a-x) Suy ra : lg(T) = lg(y).(a-x)/a = [a.lg(y) – x.lg(y)] / a lg(T) = lg(y) – [lg(y)/a].x lg(y) – lg(T) = [lg(y)/a].x lg(y/T) = [lg(y)/a)].x (1) [lg(y)/a] chính là tỷ số OB/OA = tgα = hệ số góc của đường thẳng AB. Hệ số góc của đường thẳng này k = tga thể hiện độ bền nhiệt của vi sinh vật, hệ số k càng lớn vi sinh vật càng ít bền nhiệt và ngược lại k càng nhỏ vi sinh vật càng bền nhiệt. Như vậy phương trình (1) có thể viết: lg(y/T) = kx (2) Điểm đặc biệt thứ hai là để tiện lợi trong quá trình thu được phương trình cuối, hệ số góc k=lg(y/a) có thể viết lại bằng tỷ số khác cố định, chứ không liên quan đến điểm B tùy ý. Từ hình 2 ta thấy hệ số góc k không phải chỉ có thể tính bằng tỷ số OB / OA mà còn bằng tỷ số các cạnh khác của tam giác đồng dạng, chẳng hạn k = BD / DE, Trong đó giá trị số ở điểm D nhỏ hơn ở B mười lần. Khi đó nếu cho OB = lg(10TD), OD = lg(TD) với TD là giá trị bất kỳ nào đó trên trục logarit thì đoạn thẳng BD = OB – OD = lg(10TD) – lg(TD) = lg(10TD/TD) = lg10 = 1. Như vậy nếu trên đường thẳng AB ta chỉ xét một đoạn đường thẳng EB ứng với một chu kỳ logarit, nghĩa là khi giá trị số trên trục tung giảm xuống 10 lần, thì hệ số góc sẽ là k = 1 / DE. Đặt DE = z, ta có k = 1/z = const. Lúc này phương trình (2) được viết lại: lg(y/T) = (1/z).x Tóm lại, hằng số biểu thị độ nghiêng của đường thẳng bán logarit (suy ra là của độ bền nhiệt của vi sinh vật) là 1/z. Vì 1/z là hằng số nên suy ra z phải là hằng số vì 1 là giá trị không đổi. Phương trình đường thẳng bán logarit được viết: lg(y/T) = (x/z).(Tc – Ta) (3) Trong đó: 9 y : là tung độ bất kỳ trên đường biểu diễn thời gian tiêu diệt, nghĩa là thời gian tiêu diệt ở nhiệt độ bất kỳ định trước Ta, phút 9 T : tung độ của một điểm nhất định trên đường thẳng ứng với một điểm cho trước trên trục hoành độ nhiệt độ, nói cách khác T – thời gian tiêu diệt ở nhiệt độ chuẩn định trước Tc, phút 9 x : hiệu số nhiệt độ của nhiệt độ chuẩn định trước Tc và nhiệt độ thanh trùng nào đó Ta, o C. 9 z : hiệu số nhiệt độ ứng với một chu kỳ logarit, hay số độ cần phải tăng nhiệt độ thanh trùng lên để thời gian tiêu diệt giảm xuống 10 lần, oC. Vị trí của một đường thẳng không thể xác định chỉ với một hệ số góc. Cần phải có thêm ít nhất là tọa độ của một điểm thuộc đường thẳng này. Chẳng hạn vị trí đường thẳng biểu diễn thời gian tiêu diệt của Cl. Botulinium được xác định …….. tiêu diệt bằng 2.5 phút Phương trình (3) có ý nghĩa thực tiễn rất quan trọng. Nó cho phép ta tính được thời gian tiêu diệt ở nhiệt độ bất kỳ nếu đã biết thời gian tiêu diệt ở một nhiệt độ xác định nào đó (nhiệt độ chuẩn để so sánh). StoneyFace Page 7 of 37 Thanh trùng đồ hộp Nguyên lý sản xuất đồ hộp thực phẩm Th.S Nguyễn Lê Hà Lúc này, để tính ngay ra được y ta viết phương trình (3) ở dạng: y = T . 10 hay x z Tc −Ta z y = T . 10 (4) (5) Ví dụ : Cho rằng thời gian tiêu diệt của vi sinh vật nào đó ở 120oC là 4 phút, z = 10oC. Cần tính thời gian thanh trùng nếu nhiệt độ giảm xuống còn 100oC. Theo công thức (5): y = 4 . 10(120-100)/10 = 4 . 102 = 400 phút. Như kết quả vừa thu được, ta thấy khi giảm nhiệt độ xuống 20oC, thời gian thanh trùng tăng lên 100 lần và kéo dài khoảng vài giờ. Nếu ta thanh trùng ở nhiệt độ cao hơn 120oC, chẳng hạn ở 140oC, thời gian tiêu diệt sẽ giảm xuống rất rõ rệt và kéo dài: y = 4 . 10(120-140)/10 = 4 . 10-2 = 0.04 phút = 2.4 giây. Từ các ví dụ trên, ta thấy rằng có thể thanh trùng ở nhiều nhiệt độ khác nhau, chỉ cần thay đổi thời gian thanh trùng. Từ đây nảy sinh câu hỏi: thanh trùng lâu ở nhiệt độ thấp tốt hơn hay thanh trùng nhanh ở nhiệt độ cao tốt hơn? Để trả lời câu hỏi này cần chú ý đến chất lượng sản phẩm thanh trùng và đặc điểm thuộc về số lượng của quá trình thanh trùng. Cách đây không lâu, người ta cho rằng việc xử lý nhiệt các thực phẩm ở nhiệt độ cao dẫn đến các biến đổi chất lượng theo chiều hướng xấu, trước tiên là biến đổi chất lượng cảm quan. Vì vậy các quá trình công nghệ: sấy khô, nấu, thanh trùng thường thực hiện ở điều kiện nhiệt độ thấp. Người ta giải thích việc giảm chất lượng thực phẩm là do các phản ứng thủy phân dẫn tới việc thực phẩm bị mềm, nhũn nát. Điều này là cần thiết nhưng phải nằm trong giới hạn nhất định, nếu khôngt sản phẩm thu được sẽ bị nát bấy. Một biến đổi không hay nữa là do phản ứng melanoidine giữa các đường khử và các acid amin tự do. Sản phẩm thu được của phản ứng này là các hợp chất melanoidine có màu tối sẫm, làm thực phẩm có vẻ như bị nấu quá lửa, có mùi vị lạ… Tuy nhiên càng ngày càng có nhiều thông tin chứng tỏ rằng phản ứng melanoidine không chỉ liên quan đến một yếu tố nhiệt độ mà nhất thiết phải tính đến cả hai yếu tố: nhiệt độ và thời gian giữ thực phẩm ở nhiệt độ này Như vậy, để hạn chế phản ứng giữa đường và acid amin cần phải tìm ra sự kết hợp lý tưởng nhất của 2 yếu tố: “nhiệt độ - thời gian” Để minh họa, ta lấy ví dụ sự biến đen của thực phẩm khi xử lý nhiệt. Qua thực nghiệm, người ta thấy rằng vận tốc phản ứng làm suy thoái tăng lên khi nhiệt độ tăng, nhưng thời gian thanh trùng thì lại giảm xuống đến mức không đo kịp nữa. Nói cách khác, khi tăng nhiệt độ thanh trùng ta có thể tiêu diệt vi sinh vật trong thời gian vô cùng ngắn, đến mức các phản ứng gây ảnh hưởng không tốt cho thực phẩm còn chưa kịp đạt đến mức độ đáng kể. Điều này được minh họa rất rõ ràng trên hình 4 – trên trục tung biểu diễn độ biến màu ở đơn vị quy ước: độ biến màu ở 110oC được quy ước là 100 đơn vị, trên trục hoành biểu diễn nhiệt độ thanh trùng. StoneyFace Page 8 of 37 Thanh trùng đồ hộp Nguyên lý sản xuất đồ hộp thực phẩm Th.S Nguyễn Lê Hà Như ta thấy trên hình vẽ, khi nhiệt độ thanh trùng tăng, độ biến màu (đen) giảm đi rõ rệt. Chẳng hạn ở 120oC độ biến đen là 30% so với màu ở 110oC; ở 140oC – độ biến đen chỉ có 2%. Chú ý là các điểm trên đồ thị không thể hiện cùng khoảng thời gian thanh trùng ở các nhiệt độ 110, 120…140oC mà chỉ thể hiện mối liên hệ nhiệt độ - thời gian thanh trùng nhằm đạt được mức độ vô trùng như nhau. Ví dụ, để đạt hiệu quả thanh trùng ờ 120oC cần giữ đồ hộp ở nhiệt độ này 10 phút, còn ở 140oC chỉ cần 8 giây là đạt được hiệu quả thanh trùng này. Như vậy, để làm chậm các phản ứng hóa học có thể ảnh hưởng không tốt đến chất lượng của sản phẩm thanh trùng cần phải áp dụng quá trình xử lý nhiệt ở nhiệt độ càng cao càng tốt trong khoảng thời gian rất ngắn. Trong các tài liệu, người ta gọi phương pháp này là phương pháp thanh trùng nhanh ở nhiệt độ cao. Ta đã giải thích rõ ràng về sự lựa chọn nhiệt độ thanh trùng trên cơ sở chất lượng sản phẩm. Bây giờ ta sẽ xét đến ảnh hưởng của nhiệt độ thanh trùng đến các đặc điểm thuộc về số lượng của quá trình. Một mặt ta thấy việc sử dụng chế độ thanh trùng nhanh ở nhiệt độ cao rất nên được khuyến khích bởi không chỉ chất lượng sản phẩm được nâng cao mà thời gian chế biến còn giảm xuống rõ rệt do đó nâng cao hiệu quả làm việc của thiết bị thanh trùng. Tuy nhiên việc áp dụng chế độ thanh trùng nhanh nhiệt độ cao quả thực không dễ dàng, chỉ cần tưởng tượng đến sự truyền nhiệt cho đồ hộp cho các thiết bị thanh trùng được sử dụng hiện nay. Lấy ví dụ ta đặt mục tiêu thanh trùng ở nhiệt độ 140oC, nghĩa là toàn bộ lượng thực phẩm trong hộp phải được nâng nhiệt đến nhiệt độ 140oC. Nếu dùng nồi áp suất 2 vỏ để thanh trùgn, chưa kể đến việc không thể nâng nhiệt của nồi lên 140oC trong vòng vài giây mà cái chính là ta cũng không thể đạt được nhiệt độ 140oC trong toàn bộ hộp với thời gian này. Để tâm hộp đạt tới nhiệt độ 140oC cần ít nhất vài phút, mà điều này lại không thể chấp nhận được xét từ khía cạnh chất lượng thực phẩm. Như đã biết nhiệt độ 140oC có tác dụng tốt đối với thực phẩm chỉ trong trường hợp ta duy trì nó vài giây. Hơn nữa khi đã đạt 140oC ở tâm hộp và tiêu diệt hết vi sinh vật ở đó ta cũng không thể làm nguội nồi áp suất để nhiệt độ cao không còn tác dụng lên thực phẩm trong vòng vài giây được. Như vậy, dùng nồi áp suất 2 vỏ để thanh trùng nhanh ở nhiệt độ cao là điều không thể được do những lý do thuần túy mang tính chất kỹ thuật. Để áp dụng nguyên tắc thanh trùng nhanh ở nhiệt độ cao ta cần một hệ thống thiết bị đặc biệt hoạt động trên nguyên tắc thanh trùng sản phẩm theo từng lớp mỏng. Sản phẩm được thanh trùng nhanh ở nhiệt đ6ọ cao trước khi cho vào hộp, sau đó làm nguội ở điều kiện vô trùgn và đóng vào hộp đã được vô trùng từ trước, cuối cùng tiến hành ghép mí trong điều kiện vô trùng. Tiếp theo, đồ hộp không cần thêm quá trình xử lý nhiệt nào nữa. Phương pháp này gọi là đóng hộp vô trùng. Còn một điểm nữa hạn chế việc sử dụng phương pháp thanh trùng nhanh ở nhiệt độ cao đó là sự bảo tồn của các men. Các công trình nghiên cứu đã chỉ ra rằng quá trình thanh trùng thông thường (thời gian thanh trùng khá lâu ở nhiệt độ tương đối thấp) đầu tiên vô hiệu hóa các men, sau đó mới tiêu diệt vi sinh vật. Vì vậy, ở quá trình thanh trùng bình thường, lúc vi sinh vật bị tiêu diệt cũng là lúc các men bị vô hiệu hoàn toàn. Trong quá trình thanh trùng nhanh ở nhiệt độ cao, các men bền nhiệt hơn so với các vi sinh vật. Vì vậy có thể xảy ra trường hợp chế độ thanh trùng đủ để tiêu diệt vi sinh vật nhưng hệ men vẫn còn hoạt tính do thời gian thanh trùgn rút xuống còn quá ngắn. Các đồ hộp này, dù đã được vô trùng, vẫn có thể bị hư hỏng khi bảo quản, mà nguyên nhân là vì các men. III.1.2 / Thành phần hóa học của đồ hộp: a / Ảnh hưởng của độ acid: Ở phần trên ta đã biết rằng độ chua của môi trường có ảnh hưởng rất lớn đến sự phát triển của vi sinh vật. Trong số các yếu tố của môi trường ngoài ảnh hưởng đến độ bền nhiệt của vi sinh vật thì nồng độ ion H+ trong môi trường đươc đun nóng là quan trọng hơn cả. Các công trình nghiên cứu khác đã xác định được rằng ở môi trường gần trung tính pH 6-7 các virus có khả năng tạo nha bào chịu nhiệt tốt nhất. Đ6ọ chịu nhiệt này giảm rất nhanh khi độ pH xê dịch sang phía thấp hơn và cao hơn. Tuy nhiên cũng cần phải nói rằng quy tắc chung thời gian tiêu diệt tỷ lệ nghịch với độ acid hoạt động của môi trường không phải luôn luôn đúng. Khi pH>5.0 có yếu tố nào đó ảnh hưởng đến thời gian tiêu diệt còn mạnh hơn cả nồng độ ion H+. Khi nghiên cứu chế độ thanh trùng các đồ hộp cá, Lang đã không tìm ra sự liên hệ nhất định nào StoneyFace Page 9 of 37 Thanh trùng đồ hộp Nguyên lý sản xuất đồ hộp thực phẩm Th.S Nguyễn Lê Hà giữa độ pH của môi trường thực phẩm và thời gian tiêu diệt đối với Cl. Botulinium trong khoảng pH 5.2 – 6.8, còn ở pH 4.9, sức chịu nhiệt của nó giảm rõ rệt. Theo số liệu của A. Rogatrov không chỉ độ acid hoạt động của môi trường mà bản chất của acid cũng có ảnh hưởng lớn đến độ bền nhiệt. Ở cùng một giá trị pH acid lactic có tác dụng diệt khuẩn mạnh nhất, sau đó là acid malic. Acid Acetic và acid citric tác dụgn lên vi sinh vật yếu hơn một chút. b / Ảnh hưởng của các chất sát trùng thực vật (phitonxit): Trong số các thành phần hóa học có ảnh hưởng đến thời gian tiêu diệt, chất sát trùng thực vật đóng vai trò quan trọng thứ hai sau độ pH. A. Rogatrov và các cộng tác viên đã xác định được rằng khi cho thêm các chất sát trùng thực vật vào đồ hộp thì chế độ thanh trùng sẽ giảm xuống rất nhiều. Các chất sát trùng thực vật thường gặp là allyxin trong hành tỏi, tomatin trong cà chua, cap sai xin trong ớt, piperin trong tiêu, singiberin trong gừng, …..trong lá nguyệt quế, eugenol trong đinh hương, carvol và linalol trong thì là, các antoxian trong rau quả, myronic kali trong bột mù tạc, anthenol trong hồi hương…. Các sắc tố có màu phần lớn cũng có tác dụng sát trùng, vì vậy khi chế biến cà chua hay các sản phẩm có cà chua có thể rút ngắn thời gian thanh trùng. Khi chế biến các đồ hộp thịt cá, người ta cho thêm các gia vị: ngoài mục đích làm ngon còn có tác dụng sát trùng rất tốt. Một số rau hộp, ví dụ súp lơ tự nhiên, nếu thanh trùng dưới 100oC thì không đạt được độ vô trùng cần thiết, nhưng nếu thanh trùng trên 100oC thì súp lơ bị nhũn nát, vì vậy người ta cho thêm nước mù tạt vào, và lúc này có thể thanh trùng ở nhiệt độ thấp vẫn đảm bảo tiệt trùng. Người ta có thể thêm chất sát trùng thực vật vào đồ hộp ở dạng rau tươi như thêm hành, tỏi, ớt, thì là… nhưng phương pháp hiệu quả hơn cả là thêm vào ở dạng chất được điều chế từ các loại rau tươi ấy. Nghĩa là thay vì cho thêm cà chua vào đồ hộp, người ta cho thêm tomatin…. c / Ảnh hưởng của chất béo: Các chất béo có ảnh hưởng rất lớn đến thời gian tiêu diệt, tuy nhiên khác với các acid và các phitonxit, chất béo không những không làm giảm bớt chế độ thanh trùng, mà còn có tác dụgn tăng sức chịu nhiệt của vi sinh vật. Người ta giải thích tác dụng bảo vệ vi sinh vật của chất béo trên cơ sở các biến đổi hóa lý xảy ra ở vùng biên của hai chất lỏng không đồng nhất: dung dịch protide ở dạng keo (tế bào vi sinh vật) và chất béo. Ta biết rằng khi các chất keo háo nước (protide, xanponin, xà phòng…) gặp chất béo ở phần tiếp giáp 2 pha lập tức có hiện tượng tạo màng xảy ra, ngăn cách các pha với nhau. Nếu 1 giọt chất béo rơi vào dung dịch protide, nó sẽ bị màng protide bao lại. Nếu 1 giọt dung dịch protide ở thể keo rơi vào chất béo, nó cũng sẽ bị một lớp áo bọc bao lấy ngay lập tức. Các màng bao này gồm các phần tử có cực được định hướng chặt chẽ trên bề mặt hai pha nhờ các nhóm kỵ nước. Màng dày kỵ nước bao quanh tế bào vi sinh vật ngăn không cho nước truyền nhiệt vào làm protide chậm bị đông đặc. Vì vậy các đồ hộp có chứa chất béo (ví dụ: đồ hộp cá ngâm dầu, thịt lợn hộp…) cần phải thanh trùng lâu hơn các đồ hộp không chứa chất béo. d / Ảnh hưởng của đường và muối: Các nhà khoa học nhận thấy rằng đường có tác dụng bảo vệ vi sinh vật khi đun nóng. Người ta tìm ra rằng nấm men dễ bị tiêu diệt ở nhiệt độ 100oC khi ở trong nước cất khi ở trong siro. Thời gian tiêu diệt trogn siro có nồng độ 24% nhỏ hơn nhiều so với trong siro có nồng độ 36% (tương ứng với 6 và 28 phút). Thời gian tiêu diệt của vi sinh vật Escherichia Coli ở 70oC trong nước là 4 phút, trong siro đường 30% là 30 phút. Người ta giải thích tác dụng bảo vệ vi sinh vật của đường xảy ra như sau: trong dung dịch siro đường xảy ra quá trình các vi sinh vật mất nước do thẩm thấu và chính việc hàm lượng nước giảm này làm phần lớn vi sinh vật bền vững khi đun nóng. Nồng độ muối không cao trong sản phẩm thực phẩm có tác dụng bảo vệ vi sinh vật khi đun nóng, còn nồng độ muối tương đối cao lại có tác dụng làm vi sinh vật bị tiêu diệt nhan hơn. Người ta làm thí nghiệm và thu được các kết quả về khả năng sống sót của vi sinh vật trong dung dịch nước muối của đồ hộp đậu bi ở 115oC như sau: Nồng độ muối (%) 0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 4.0 Mức độ sống sót của VSV (%) 15.0 37.8 86.7 73.3 75.6 78.9 40.0 13.3 StoneyFace Page 10 of 37 Thanh trùng đồ hộp Nguyên lý sản xuất đồ hộp thực phẩm Th.S Nguyễn Lê Hà Từ các số liệu trên ta thấy rõ rằng muối có tác dụng bảo vệ vi sinh vật ở môi trường có nồng độ muối nhỏ hơn 2.5%, ở môi trường có nồng độ muối cao hơn, độ chịu nhiệt của vi sinh vật giảm rõ rệt. Người ta nhận thấy ở môi trường có nồng độ muối 1-2% độ bền nhiệt của Cl. Botulinium tăng, nhưng khi lượng muối lớn hơn 8% thì thời gian tiêu diệt giảm. Có thể giả thiết rằng nồng độ muối không lớn có tác dụng là tế bào vi sinh vật bị mất nước do thẩm thấu tương tự như hiện tượng xảy ra trong dung dịch đường, do đ1o làm độ bền nhiệt của nó tăng lên. Ở môi trường có nồng độ muối cao bắt đầu xuất hiện sự điện ly…….. e / Giống loài vi sinh vật và số lượng của chúng: Thời gian tiêu diệt chịu ảnh hưởng rất lớn của các loài vi sinh vật có thể phát triển trong thực phẩm bởi vì độ bền nhiệt của các loài vi sinh vật không giống nhau, các tế bào sinh dưỡng dễ bị tiêu diệt hơn nhiều so với nha bào. Một số các nhà khoa học giải thích điều này là bởi vì nha bào virus chứa ít nước, do đó protide khó bị đông đặc, mà quá trình protide đông đặc lại chính là nguyên nhân gây nên cái chế của các tế bào virus khi đun nóng. Các công trình nghiên cứu khác đã chỉ ra rằng hàm lượng nước tổng quát (chung) trong tế bào sinh dưỡng và trong nha bào xấp xỉ như nhau. Vì vậy khi nói hàm lượng nước trogn nha bào ít là ta đang đề cập đến hàm lượng nước tự do. Vấn đề là ở chỗ một phần lượng nước trong nha bào ở trạng thái liên kết, do đó không thể tham gia vào sự làm đông đặc lại của các protein của tế bào. Ngoài ra độ bền với nhiệt của các nha bào còn được giải thích do chúng có lớp màng bọc không thấm nước rất chắc chắn, không cho nước từ bên ngoài thấm vào trong nha bào. Đó là lý do tại sao thời gian tiêu diệt đối với phần lớn các vi khuẩn không tạo nha bào, tức là các tế bào sinh dưỡng chỉ khoảng vài phút ở nhiệt độ 60-80oC. Thời gian tiêu diệt dài nhất là của E.Coli – 15 phút ở 80oC. Thời gian tiêu diệt của các vi sinh vật tạo nha bào (tức là nha bào của chúng) dài hơn nhiều so với các vi sinh vật không tạo nha bào. Theo số liệu của Rogatrov thời gian tiêu diệt đối với một số nha bào ở 100oC như sau: B. subtilis 120 phút B. mesentericus 110 phút Cl. botulinium (loại B) 150 phút Cl. botulinium (loại A) 300 phút Bigeloi và Esti nhận thấy một số vi sinh vật thuộc nhóm ưa nhiệt chịu được nhiệt độ sôi trong nước ngô ép ở pH 6.1 trong thời gian 24h. Một số nhà nghiên cứu khác thông báo thời gian tiêu diệt của một loại vi sinh vật ưa nhiệt thuộc nhóm gây chua thực phẩm không tạo bọt khí ở pH 6.1 và nhiệt độ 120oC là 11 phút; thời gian tiêu diệt của một vi sinh vật khác cũng thuộc nhóm này ở 120oC trong môi trường đệm (pH 6.95) là 35 phút. Số lượng vi sinh vật có ảnh hưởng rất lớn đến thời gian tiêu diệt. Ta có thể thấy điều này qua kết quả thực nghiệm thu được trong bảng sau: (Bảng 1) Chủng loại Số nha bào / cm2 TG cần thiết để tiêu diệt nha bào ở 115oC (phút) 26 46000 4300 400 40 65 35 28 22 4019 5000 2550 278 58 35000 1000 100 13 42 26 21 10 50 28 18 10 4112 StoneyFace Page 11 of 37 Thanh trùng đồ hộp Nguyên lý sản xuất đồ hộp thực phẩm Th.S Nguyễn Lê Hà Ta xét ví dụ đối với chủng loại 26, khi số vi sinh vật ban đầu giảm từ 46000 xuống còn 40 nha bào, nghĩa là giảm xuống gần 1000 lần, thời gian tiêu diệt được rút ngắn gần 3 lần Có thể thấy rõ ràng trong một thể tích thực phẩm xác định càng lớn thì thời gian cần thiết để tiêu diệt chúng cũng càng lớn. Điều này được giải thích bởi quy luật động học tiêu diệt dần các tế bào vi sinh vật ở nhiệt độ cao. Nghiên cứu sự diệt vong của vi khuẩn do tác dụng của nhiệt độ, các nhà nghiên cứu đã đi đến kết luận: về phương diện hóa lý làm tế bào vi sinh vật bị tiêu diệt là phản ứng đơn phân tử gây đông đặc protide của màng nguyên sinh, và do đó vận tốc tiêu diệt vi sinh vật tuân theo quy luật toán học áp dụng cho phản ứng bậc 1. Từ điều này ta có thể viết: – dN/dT = Ko.N (6) Trong đó: 9 N : Số lượng vi sinh vật ở thời điểm thanh trùng xác định nào đó 9 Ko : Hệ số vận tốc tiêu diệt vi sinh vật (phút -1) 9 – dN/dT : vận tốc tiêu diệt vi sinh vật Dấu (-) chỉ ra rằng khi đun nóng, số lượng vi sinh vật giảm xuống ÅÆ dN/dT < 0 Từ (6) ta có: – dN/N = Ko.dT Hay dN/N = – Ko.dT Lấy tích phân, ta thu được: dN = ∫ − K o .dT ∫N Để tìm giá trị hàm số tích phân C, ta cho T = 0, nghĩa là lúc quá trình còn chưa bắt đầu. Vì vậy số lượng vi sinh vật đem vào tiêu diệt bằng cách nung nóng có thể gọi là số lượng lúc ban đầu và biểu thị bằng No. Khi đó C = ln(No). Từ đây: ln(N) = Ko.T + ln(No) ln(No) – ln(N) = Ko.T ln (No/N) = Ko.T Ta biểu thị số lượng vi sinh vật vào cuối quá trình thanh trùgn là Nk và thay đổi tỷ số logarit tự nhiên bằng logarit thập phân (nghĩa là hằng số vận tốc phản ứng Ko được chuyển từ hằng số logarit tự nhiên thành thập phân. Nó được ký hiệu là một hằng số mới K = Ko/2.303) và cuối cùgn ta thu được: lg No/Nk = K.T (7) Người ta thường viết phương trình trên dưới dạng: N 1 (8) K = . lg o T Nk Từ phương trình (8) ta thấy rõ ràng vận tốc tiêu diệt vi sinh vật tuân theo quy luật logarit và phụ thuộc vào số lượng vi sinh vật ban đầu. Ta sẽ phân tích biểu thức vừa thu được. Từ (7) suy ra: No = 10 K .T Nk Nk 1 = (9) No 10 K .T No Nk = (10) 10 K .T StoneyFace Page 12 of 37 Thanh trùng đồ hộp Nguyên lý sản xuất đồ hộp thực phẩm Th.S Nguyễn Lê Hà III.2 / Hằng số vận tốc tiêu diệt vi sinh vật K là gì? và nó phụ thuộc những yếu tố nào? Từ những điều dẫn ra ở trên có thể kết luận hằng số này tỷ lệ thuận với tính chất (đặc điểm) hoạt động môi trường trong đó vi sinh vật sống (ví dụ: nó phụ thuộc vào độ acid hoạt động, hàm lượng chất xác trùng thực vật…) với mức độ không chịu nhiệt của loài vi sinh vật xác định ở nhiệt độ nào đó và phụ thuộc vào nhiệt độ thanh trùng T. Như vậy: K = f (A, S, T) Kết hợp với biểu thức (9) ta có: Nk 1 = (11) ( A, S ,T ).T No 10 No Với (10) ta có Nk = (12) ( A, S ,T ).T 10 Từ công thức (11) có thể thấy rõ các yếu tố ảnh hưởng đến mức độ sống sót của vi sinh vật khi N thanh trùng: k . Tỷ lệ này nhỏ khi: No 9 độ không bền nhiệt của loài vi sinh vật (S) lớn 9 thành phần hóa học của thực phẩm có hoạt tính (A) lớn đối với vi sinh vật 9 nhiệt độ thanh trùng (T) lớn 9 thời gian xử lý nhiệt (T) càng lâu. Từ (12) cũng như từ (10) dễ dàng thấy ở các đềiu kiện thanh trùng xác định (nghĩa là đối với sản phẩm xác định, ở nhiệt độ thanh trùng nhất định và thời gian thanh trùng nhất định) số vi sinh vật sống sót ở cuối quá trình Nk tỷ lệ thuận với số lượng ban đầu của chúng No Như vậy, càng có ít vi sinh vật trong thực phẩm khi bắt đầu thanh trùng thì càng có ít vi sinh vật sống sót trong đồ hộp ở cuối quá trình. Điều này có ý nghĩa thực tiễn rất quan trọng, nói lên sự cần thiết phải giữ gìn vệ sinh trong các quá trình kỹ thuật ở nhà máy đồ hộp. Từ (7) có thể xác định thời gian T cần thiết để tiêu diệt lượng vi sinh vật nhất định ở các điều kiện xác định: N 1 T = (13) . lg o K Nk Giả sử rằng có hai hộp đồ hộp chứa thực phẩm y như nhau được thanh trùng ở cùng điều kiện, và lượng vi sinh vật sống sót trong mỗi hộp ở cuối quá trình thanh trùng Nk cũng sẽ ít như nhau. Các hộp này chỉ khác nhau ở lượng vi sinh vật ban đầu: một hộp có N oI lớn hơn hộp kia N oII Như vậy thời gian tiêu diệt vi sinh vật: NI 1 1 TI = . lg o = .(lg N oI − lg N k ) K Nk K T II = N II 1 . lg o K Nk = 1 .(lg N oII − lg N k ) K lg N oI − lg N k lg N oI TI (14) = = T II lg N oII − lg N k lg N oII (Giả thiết Nk nhỏ nên lgNk có thể bỏ qua) Nếu phân tích kết quả thực nghiệm được nêu ra trong bảng 1 trên cơ sở phương trình này, ta thấy rằng trong rất nhiều trường hợp kết quả tính toán gần với thực nghiệm Nếu lấy tỷ số logarit lượng nha bào loại No 26 lúc đầu và lúc cuối, ta thu được: lg 46000 4.66 ≅ 2.92 = lg 40 1.6 Tỷ số thời gian tiêu diệt trong trường hợp này thu được từ thực nghiệm là: T1 = 65/22 ≅ 2.95 T2 Æ StoneyFace Page 13 of 37 Thanh trùng đồ hộp Nguyên lý sản xuất đồ hộp thực phẩm Th.S Nguyễn Lê Hà Hoặc đối với loại No 412, dữ kiện do tính toán thu được trong khoảng 1000 – 100 sẽ là lg 1000 = 3/2 = 1.5 lg 100 Tỷ số thời gian tiêu diệt thu được từ thực nghiệm là T1 = 28/18 ≅ 1.55 T2 Lấy ví dụ ở một khoảng khác đối với loài này: lg 100 = 2/1.11 ≅ 1.8 lg 13 T1 = 18/10 = 1.8 T2 Ta quay lại câu hỏi về việc vi sinh vật bị tiêu diệt theo quy luật logarit 1 Nếu trong phương trình (13) ta quy ước = D thì biểu thức được viết lại ở dạng: K N o T = D . lg (15) N k N o T lg = Từ đó (16) N k D Biểu thức (16) đồng dạng với công thức (3), do đó đồ thị của nó cũng sẽ phải tương tự như đồ thị ở hình 3 – trong đó trên hệ trục tọa độ bán kính logarit biểu diễn sự phụ thuộc của số lượng vi sinh vật vào thời gian thanh trùng ở nhiệt độ không đổi nào đó: trên trục hoành biểu diễn thời gian tiêu diệt ở đơn vị như bình thường, còn trên trục tung là giá trị logarit số lượng vi sinh vật. Trên đồ thị này, đường biểu diễn sự phụ thuộc : A “số lượng vi sinh vật – thời gian tiêu diệt” nhất định phải là một đường thẳng (hình 5) – Đồ thị biểu diễn độ sống sót của nha bào vi sinh vật (lý thuyết) trong hệ trục tọa độ bán logarit E No : số lượng vi sinh vật lúc bắt đầu thanh trùng lgNo D Nk : số lượng vi sinh vật vào cuối quá trình thanh trùng sau T phút T : Thời gian cần thiết để tiêu diệt vi sinh vật trong lgNk khoảng No – Nk ở nhiệt độ không đổi nào đó. D : thời gian ứng với một chu kỳ logarit trên trục O C biểu diễn số lượng vi sinh vật, nghĩa là thời gian T cần thiết để số lượng vi sinh vật giảm xuống 10 lấn Người ta còn gọi D là thời gian cần thiết để tiêu diệt 90% số vi sinh vật. Đồ thị ở hình 5 biểu diễn phản ứng của vi sinh vật đối với tác dụng của nhiệt độ Tuy nhiên nếu trên hình 3 đồ thị biểu diễn phản ứng của vi sinh vật ở các nhiệt độ thay đổi khác nhau, thì ở hình 5 lại là phản ứng của vi sinh vật ở môi trường được đun nóng ổn định, động học quá trình tiêu diệt vi sinh vật ở nhiệt độ không đổi. Vì vậy đường thẳng trong hình 5 biểu diễn mức độ chịu nhiệt của vi sinh vật ở các điều kiện AO nung nóng nào đó, suy ra hệ số góc của đường thẳng này : tgα = là hằng số tương ứng OC Từ những điều đã trình bày ở trên, ta suy ra được rằng: đoạn thẳng đứng biểu thị lượng vi sinh vật giảm xuống 10 lần ở thang đo logarit bằng 1 – còn đoạn nằm ngang tương ứng với nó được 1 = tgα = const Æ D = const. biểu thị qua chữ cái D. Như vậy D StoneyFace Page 14 of 37 Thanh trùng đồ hộp Nguyên lý sản xuất đồ hộp thực phẩm Th.S Nguyễn Lê Hà Người ta cho rằng: dùng D như là hằng số biểu thị sức chịu nhiệt của vi sinh vật tiên hơn nhiều 1 so với dùgn hằng số vận tốc tiêu diệt vi sinh vật vì giá trị của D tỷ lệ thuận với tính chất của K vi sinh vật nhất định: giá trị D càng lớn vi sinh vật càng bền với nhiệt độ. 1 Vì D = nên hằng số D cũng phụ thuộc vào các yếu tố mà hằng số vận tốc tiêu diệt vi sinh vật K K phụ thuộc, nhưng với số mũ ngược lại : D = f (A-1, S-1, T-1) IV / CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN THỜI GIAN TRUYỀN NHIỆT VÀO TRUNG TÂM HỘP THỰC PHẨM IV.1 / Tính chất vật lý của sản phẩm: Các đồ hộp khác nhau có tính chất lý học khác nhau: độ đặc, tỷ trọng, độ nhớt đều khác nhau. Các tính chất này người ta kết hợp lại và gọi chúng bằng khái niệm độ chắc. Nhiều đồ hộp ở dạng lỏng, như các loại nước quả ép, sự truyền nhiệt khi thanh trùng chủ yếu nhờ đối lưu. Sự đối lưu trong sản phẩm xảy ra khá mạnh nên các sản phẩm dạng này được nâng nhiệt khá nhanh. Có nhiều sản phẩm đồ hộp ở dạng đặc, ví dụ kem, tương cà chua, nước quả nghiền (nước xoài…), pate. Trong các sản phẩm này sự đối lưu xảy ra rất yếu, thậm chí không có sự đối lưu. Việc truyền nhiệt trong các sản phẩm này chủ yếu là bằng con đường truyền dẫn. Hệ số dẫn truyền nhiệt của thực phẩm nói chung không lớn nên các sản phẩm này được nâng nhiệt khá chậm. Nhiều đồ hộp có thành phần không đồng nhất, bao gồm cả thể rắn và lỏng, ví dụ quả và nước đường (đồ hộp quả nước đường), rau, hạt và dung dịch muối (đồ hộp đậu hộp, đồ hộp rau muối…). Trong các đồ hộp này, sự truyền nhiệt bằng cả hai cách: đối lưu và truyền dẫn, trong trường hợp này, sự đối lưu xảy ra khá mạnh. Và nếu xét về cường độ hiệu quả nâng nhiệt thì loại đồ hộp này chiếm vị trí trung gian giữa hai nhóm trước, tuy nhiên nó gần với nhóm đầu hơn. Ta có thể dễ dàng nhận thấy sự khác nhau về cường độ truyền nhiệt của các loại thực phẩm trên đồ thị nâng nhiệt đồ hộp, được vẽ trong hệ trục tọa độ “nhiệt độ - thời gian thanh trùng” – trục hoành biểu diễn thời gian thanh trùng (phút) tính từ lúc ta bắt đầu mở cho hơi vào nồi thanh trùng và kết thúc khi thiết bị đã được làm nguội hoàn toàn; trục tung biểu diễn nhiệt độ thanh trùng trong thiết bị vùng tâm hộp ứng với mỗi khoảng thời gian. Ở đây nhiệt độ sản phẩm được đo ở điểm khó truyền nhiệt vào nhất. Đối với thực phẩm đặc – điểm đó gần tâm hình học của hộp, còn đối với sản phẩm lỏng – nó thấp hơn tâm hình học. Như vậy trên hình ta có đồ thị gia nhiệt của thiết bị và đồ hộp thực phẩm. Đồ thị gia nhiệt của thiết bị có dạng là một hình thang. Ban đầu, nhiệt độ thiết bị tăng dần đều đặn cho tới khi đạt được nhiệt độ thanh trùng định trước (trong khoảng thời gian A). Sau đó ta giữ thiết bị ở nhiệt độ này ổn định trong thời gian B – đây là thời gian thanh trùng thật sự theo đúng nghĩa của nó. Sau đó người ta giảm nhiệt độ xuống đến điểm ban đầu, trong thời gian C – kết thúc quá trình làm nguội. StoneyFace Page 15 of 37 Thanh trùng đồ hộp Nguyên lý sản xuất đồ hộp thực phẩm Th.S Nguyễn Lê Hà Hình trên biểu diễn đồ thị gia nhiệt của 2 dạng thực phẩm: 1 – Thực phẩm lỏng – truyền nhiệt bằng đối lưu 2 – Thực phẩm đặc – truyền nhiệt bằng truyền dẫn Theo như đồ thị, ta thấy đường cong 1 thấp hơn đồ thị hình thang của thiết bị. Nhiệt độ cao nhất trong hộp đạt được chậm hơn so với trong thiết bị và mức độ (nhiệt độ cao nhất trong hộp) cũng nhỏ hơn nhiệt độ thanh trùng một ít. Sự chậm trễ nhỏ này của độ thị 1 so với đồ thị gia nhiệt thiết bị xảy ra cả khi làm nguội. Đối với đồ thị 2 ta có thể thấy dễ dàng là nó khác xa với đồ thị gia nhiệt thiết bị. thứ nhất, tâm hộp đạt được nhiệt độ cao nhất chậm hơn nhiều so với thời gian thiết bị đạt tới nhiệt độ thanh trùng. Thứ hai, nhiệt độ cao nhất của thực phẩm kém nhiệt độ thanh trùng vài độ, do đó trong khoảng thời gian giới hạn của một chu kỳ gia nhiệt trong thiết bị, thực phẩm còn chưa kịp đun nóng đạt tới nhiệt độ thanh trùng. Thời điểm bắt đầu quá trình làm nguội của thực phẩm cũng chậm hơn so với lúc thiết bị bắt đầu được làm nguội. Các đồ thị trên chỉ có tính chất minh họa sơ bộ, không có tính chất định lượng vì không có các thông số cho phép ta so sánh cường độ nâng nhiệt các thực phẩm với tính chất vật lý khác nhau, để có thể rút ra các con số kết luận cụ thể. Tuy nhiên ta có thể đạt được điều này khi thực hiện một số các phép toán học. Ta sẽ không xét cả đồ thị mà chỉ xét một phần ứng với nhánh lên tới khi đạt được nhiệt độ tối đa. Đồ thị mới được vẽ trong hệ trục tọa độ bán logarit – trục hoành biểu diễn thời gian thanh trùgn ở đơn vị như bình thường; riêng với trục tung sẽ có một số đặc biệt đáng kể: thứ nhất – nó không biểu diễn nhiệt độ mà biểu diễn hiệu số nhiệt độ giữa thiết bị Ta và nhiệt độ đạt được ở tâm sản phẩm vào thời điểm nhất định TK; thứ hai – trên trục này không biểu diễn chính hiệu số nhiệt độ mà là giá trị logarit của nó; cuối cùng – phải vẽ trục logarit theo chiều tăng từ trên xuống dưới. Mục đích của việc làm này là để dễ dàng so sánh đồ thị thu được với đồ thị gia nhiệt ban đầu, vì đồ thị gia nhiệt gốc này luôn luôn hướng từ dưới lên trên. Nếu ta vẽ đồ thị mới với trục tung theo chiều tăng từ dưới lên trên thì đồ thị thu được sẽ luôn hướng xuống dưới, bởi vì hiệu số nhiệt độ có giá trị cao nhất ở đầu quá trình thanh trùng TH, khi ta thanh trùng hiệu số này giảm dần và đạt giá trị nhỏ nhất ở cuối. Thực hiện các chỉ dẩn như trên khi vẽ, đồ thị thu được sẽ có dạng là đường thẳng, và do đó ta có thể xác định nó bằng biểu thức đơn giản: StoneyFace Page 16 of 37 Thanh trùng đồ hộp Nguyên lý sản xuất đồ hộp thực phẩm Th.S Nguyễn Lê Hà Ta − TH T = (19) Ta − TK fh T - Thời gian để tâm hộp đạt được nhiệt độ tối đa, phút f h - Hằng số biểu thị độ nghiêng của đồ thị đường thẳng so với trục hoành độ. Khi xét biểu thức này, ta cần nhớ là trục hoành nằm ở phía trên cắt trục tung của mỗi đường biểu diễn ở điểm có hiệu số nhiệt độ bằng 1oC – tức là giá trị logarit bằng 0. Mỗi đường biểu diễn (đồ thị) có trục tung riêng của mình. Như đã xét ở phần đồ thị bền nhiệt của vi sinh vật, ở đây để dễ dàng, người ta không biểu diễn độ nghiêng của đường thẳng bằng tg của góc, tức là bằng tỷ số của đoạn cạnh đứng với đoạn ngang, mà biểu diễn bằng 1 đoạn ngang f h , giá trị của nó tỷ lệ thuận với thời gian gia nhiệt. Ở trường hợp này, đoạn nằm ngang cũng ứng với 1 chu kỳ logarit trên trục tung. Khi hiệu số nhiệt độ thiết bị thanh trùng và sản phẩm thay đổi 10 lần, lúc đó đoạn thẳng đứng bằng lg10 =1. 1 tgα = Æ f h = const. fh Có thể định nghĩa f h là khoảng thời gian cần đun nóng sản phẩm để hiệu số nhiệt độ của thiệt bị và sản phẩm giảm xuống 10 lần. Một điều hiển nhiên là f h càng lớn, thời gian cần thiết để nâng nhiệt sản phẩm đến nhiệt độ cuối cùng càng lớn, và như vậy ta có thể coi f h chính là mức độ trơ nhiệt của hệ thống. Người ta gọi f h là hằng số trơ nhiệt, còn biểu thức (19) là phương trình trơ nhiệt. Trong các phép tính kỹ thuật người ta thường sử dụng phương trình trơ nhiệt ở dạng viết khác: T − TH T = f h . lg a (20) Ta − TK lg Từ đồ thị trơ nhiệt, ta thấy rõ: giá trị các thực phẩm đặc ( fh của các thực phẩm lỏng ( f h1 ) nhỏ hơn nhiều so với f h2 ), điều đó cho phép ta rút ra những kết luận số liệu cụ thể để so sánh về khả năng thực phẩm tăng nhiệt lên nhanh hay chậm khi bị đun nóng. Giá trị của hằng số f h không chỉ phụ thuộc tính chất vật lý của thực phẩm mà còn phụ thuộc rất nhiều yếu tố khác, chẳng hạn như kích thước bao bì. Nhưng nếu ta xác định giá trị hằng số f h cho nhiều thực phẩm khác nhau đựng trong cùng cỡ loại bao bì, ở cùng điều kiện như nhau, thì mỗi loại thực phẩm sẽ có chỉ số lý nhiệt f h đặc trưng của mình. Trên hình là đồ thị trơ nhiệt của các loại đồ hộp khác nhau khi thanh trùng trong bao bì thủy tinh 0.5 lit theo số liệu của V.N.Xtapajuk. Từ hình vẽ ta dễ dàng thấy rằng nhiệt trở của các loại thực phẩm khác nhau dao động trong khoảng 15-90 phút. Các thực phẩm lỏng như nước nho ép và các đồ hộp gồm quả hay ngũ cốc rót nước đường hay dung dịch muối loãng (ví dụ: đồ hộp dứa nước đường, đậu bi hộp…) có hằng số f h chênh lệch nhau khá rõ rệt: khoảng 15-25 phút. Các thực phẩm đặc có f h lớn: nước cà chua ép – 55 phút, tương cà chua – 80 phút, kem cà chua – 90 phút. Từ đây ta có thể rút ra kết luận: khi thanh trùng nước nho ép, sự truyền nhiệt chủ yếu là bằng con đường đối lưu, còn khi thanh trùng kem cà chua thì sự truyền nhiệt lại chủ yếu bằng con đường truyền dẫn. (giá trị f h của kem cà chua là 90 phút – đây là giá trị lớn nhất, không có StoneyFace Page 17 of 37 Thanh trùng đồ hộp Nguyên lý sản xuất đồ hộp thực phẩm Th.S Nguyễn Lê Hà sản phẩm nào có f h lớn hơn nữa). Các sản phẩm chiếm vị trí trung gian giữa hai nhóm trên là đậu bi hộp, quả nước đường – sự truyền nhiệt thiên về đối lưu và nước cà chua ép, tương cà chua – sự truyền nhiệt thiên về truyền dẫn. Ví dụ : Tính thời gian cần thiết để đồ hộp nước ép củ dền (thực phẩm lỏng, f h = 15 phút) và đồ hộp pate gan (thực phẩm đặc, f h = 90 phút) đạt tới nhiệt độ cao nhất nếu nhiệt độ ban đầu của thực phẩm là 60oC, nhiệt độ cao nhất là 118oC, quá trình thanh trùng thực hiện trong nồi áp suất hai vỏ ở 120oC. Ta áp dụng công thức (20): 120 − 60 Đối với nước củ dền ép : T = 15. lg = 15. lg 30 ≈ 22 phút 120 − 118 120 − 60 T = 90. lg = 90. lg 30 ≈ 32 phút Đối với pate gan: 120 − 118 Như vậy, tính chất vật lý của sản phẩm. mà chính xác là độ trơ nhiệt của chúng ảnh hưởng rất lớn đến thời gian truyền nhiệt vào tâm hộp. IV.2 / Tính chất vật lý của vật liệu làm bao bì và độ dày vỏ hộp: Trước khi nhiệt truyền vào được tới sản phẩm, nó phải vượt qua được nhiệt trở của vỏ hộp σ, δ nhiệt trở σ này phụ thuộc độ dày vỏ hộp δ và độ dẫn nhiệt λ của nó: σ = λ Như vậy trở nhiệt của vỏ hộp càng lớn khi vỏ hộp càng dày và độ dẫn nhiệt càng nhỏ. Tuy nhiên để trả lời câu hỏi trên, thực tế cần chú ý đến yếu tố nào hơn: độ dày mỏng của vỏ hộp hay độ dẫn nhiệt của vỏ hộp Æ ta phải xem xét tính chất của các loại vỏ hộp vẫn thường dùng trong công nghệ sản xuất đồ hộp. Hộp sắt tây: Độ dày của vỏ hộp sắt δs rất nhỏ, và thường dao động trong khoảng 0.0002 – 0.0003m Độ dẫn nhiệt của sắt tây λs khá lớn, thường trong khoảng 47 – 52 W/m.K 0.0002 0.0003 δ Do đó nhiệt trở của vỏ hộp sắt tây rất bé: σ s = s = ÷ = 4.25 × 10 −6 ÷ 6.39 × 10 −6 λs 47 47 Trong trường hợp này, giá trị của mẫu số λs lớn hơn quá nhiều so với giá trị của tử số δs nên khi δ δs thay đổi dao động trong phạm vi thường gặp thì nó cũng không ảnh hưởng bao nhiêu đến s . λs Do đó sự dao động độ dày vỏ sắt tây thường gặp trong sản xuất không gây nên ảnh hưởng đáng kể đến nhiệt trở của vỏ hộp. Hộp thủy tinh Độ dày của vỏ hộp thủy tinh δt khá lớn, gần gấp 10 lần so với hộp sắt : 0.002 – 0.006m Độ dẫn nhiệt của thủy tinh λt lại nhỏ, kém độ dẫn nhiệt của sắt tây 80-90 lần: 0.6 – 0.9 W/m.K, δ 0.002 0.006 Như vậy nhiệt trở của vỏ hộp thủy tinh khá lớn: σ t = t = ÷ = 0.0033 ÷ 0.01 λt 0.6 0.6 Nhiệt trở của vỏ hộp thủy tinh lớn hơn nhiều so với của vỏ hộp sắt tây, gấp cả 1000 lần. Trong trường hợp này, giá trị mẫu số λt không lớn hơn nhiều so với giá trị tử số δt nên không thể δ coi sự dao động của δt không có ảnh hưởng gì nhiều đến t . Do đó sự thay đổi kích thước – độ λt dày mỏng vỏ hộp thủy tinh ảnh hưởng lớn đến nhiệt trở của nó Tuy nhiên, điều ta quan tâm ở đây không phải là bản thân nhiệt trở của vỏ hộp, ta chỉ chú ý đến nó trong chừng mực nhất định nó ảnh hưởng ra sao đến thời gian truyền nhiệt vào bên trogn thực phẩm. Ta chỉ có thể giải quyết được vấn đề ảnh hưởng của nhiệt trở vỏ hộp đến thời gian truyền nhiệt vào tâm hộp khi so sánh nhiệt trở của một vỏ hộp xác định đến nhiệt trở của thực phẩm xác định trong hộp. StoneyFace Page 18 of 37 Thanh trùng đồ hộp Nguyên lý sản xuất đồ hộp thực phẩm Th.S Nguyễn Lê Hà Trong thực tế ta thường gặp hai trường hợp chủ yếu sau: 9 Khi thanh trùng thực phẩm lỏng, nhiệt được truyền chủ yếu nhờ sự đối lưu, do vậy nhiệt trở của thực phẩm không lớn. 9 Khi thanh trùng thực phẩm đặc, nhiệt được truyền chủ yếu bằng phương pháp truyền dẫn, và nhiệt trở của thực phẩm trong trường hợp này lớn đáng kể. Mỗi loại thực phẩm này có thể đóng vào hai loại vỏ hộp: sắt tây và thủy tinh. Như vậy ta sẽ có 4 trường hợp lý nhiệt có thể xảy ra trong sản xuất. ¾ Khi thanh trùng thực phẩm lỏng trong bao bì sắt tây: Xuất hiện lực đối lưu mạnh. Nhiệt lượng được truyền như sau: đầu tiên nhiệt được mang đến cho vỏ hộp nhờ chất mang nhiệt bằng đối lưu. (hệ số trao đổi nhiệt là α1), tiếp đó nhiệt được truyền qua vỏ hộp bằng con đường truyền dẫn, sau cùng nhiệt được truyền tiếp tục vào trong hộp bằng con đường đối lưu (hệ số trao đổi nhiệt α2) Như vậy nhiệt trở chung của hệ thống sẽ là: 1 δ 1 σ 1a = + s + (21) α1 λs α2 1 1 và nhỏ. Từ tính toán ta còn thấy giá trị α1 α2 nhiệt trở của sắt còn nhỏ hơn. Như vậy là nhiệt trở chung của cả hệ thống “vỏ hộp – sản phẩm” trong trường hợp này rất nhỏ. Ta có thể rút ra kết luận: 9 Thứ nhất – thời gian nâng nhiệt của loại vỏ hộp này không lớn 1 δs 1 + + 9 Thứ hai – nếu cho rằng nhiệt trở trong hệ thống được phân bố theo tỷ lệ α1 λs α2 100:1:100 thì có thể khẳng định rằng thời gian truyền nhiệt vào tâm sản phẩm loại này chịu ảnh hưởng của cả hai yếu tố: tính chất vật lý của sản phẩm và tính chất vật lý của môi trường (bởi vì phía bên ngoài bao bì là α1 chiếm 100 “đơn vị” nhiệt trở trong tổng số 201 đơn vị của cả hệ thống này). ¾ Khi thanh trùng thực phẩm lỏng trong bao bì thủy tinh: 1 δ 1 σ 1b = + t + Nhiệt trở của hệ thống “vỏ hộp – thực phẩm”: (22) α1 λt α2 Trên nguyên tắc, hai đại lượng α1 và α2 khá lớn, Nhiệt trở trong hệ thống này phân bố theo tỷ lệ 100:1000:100. Từ đây có thể rút ra kết luận: 9 Thứ nhất – thời gian nâng nhiệt bao bì loại này lớn hơn trường hợp trên vài lần (ở đây nhiệt trở tổng cộng là 1200 đơn vị) 9 Thứ hai – thời gian nâng nhiệt này không lớn lắm, bởi vì giá trị của nó không phải là đại lượng lớn, cho dù nó gấp vài lần so với các giá trị nhỏ ở trường hợp trên. 9 Thứ ba – có thể khẳng định rằng: yếu tố chính ảnh hưởng đến thời gian truyền nhiệt vào trung tâm hộp là tính chất vật lý của bao bì, bởi vì trong hệ thống “bao bì – thực phẩm”, nhiệt trở của bao bì chiếm phần lớn (1100 đơn vị trong tổng số 1200) StoneyFace Page 19 of 37 Thanh trùng đồ hộp Nguyên lý sản xuất đồ hộp thực phẩm Th.S Nguyễn Lê Hà ¾ Khi thanh trùng thực phẩm đặc trong bao bì sắt tây: Nhiệt lượng được truyền trong thực phẩm chủ yếu bằng con đường truyền dẫn. Sự dẫn truyền nhiệt trong hệ thống này có thể coi như sự lan truyền nhiệt qua một bức tường phức tạp gồm hai “lớp”: lớp tường kim loại và lớp tường thực phẩm.. Ở đây sự truyền nhiệt vào tâm hộp xảy ra như sau: đầu tiên hơi nước truyền nhiệt cho vỏ hộp bằng con đường đối lưu, sau đó nhiệt được truyền qua vỏ hộp bằng truyền dẫn và cuối cùng qua lớp tường thực phẩm cũng bằng truyền dẫn, nghĩa là qua bề dày thực phẩm để tới tâm hộp. δ 1 δ σ 2a = + s + tp (23) Nhiệt trở tổng quát của hệ này là : α1 λs λ tp Trong đó: δtp – Chiều dày của tường thực phẩm tính từ mặt trong vỏ hộp đến tâm hộp λtp – Hệ số dẫn truyền nhiệt cho thực phẩm Chiều dày của “tường thực phẩm” lớn hơn chiều dày của tường kim loại vài trăm lần, còn hệ số dẫn truyền nhiệt của thực phẩm nhỏ hơn hệ số dẫn truyền nhiệt của sắt tây gần 100 lần. Vì vậy ta có thể tưởng tượng một cách gần đúng sự phân bố nhiệt trở trong hệ thống này ở dạng tỷ số 100:1:25000. So sánh các dữ kiện này với phần trên có thể kết luận: 9 Thứ nhất – thời gian nâng nhiệt của laọi hộp này lớn, nó lớn gần vài lần so với thời gian nâng nhiệt của loại hộp mà sản phẩm trong đó được truyền nhiệt bằng con đường đối lưu. 9 Thứ hai – có thể khẳng định rằng tính chất vật lý của thực phẩm gần như là yếu tố quyết định cho thời gian truyền nhiệt vào trung tâm loại hộp này, bởi vì ở hệ thống “vỏ hộp – thực phẩm” này, thực phẩm chiếm gần như hoàn toàn giá trị nhiệt trở của cả hệ thống. ¾ Khi thanh trùng thực phẩm đặc trong bao bì thủy tinh: δ 1 δ + t + tp (24) α1 λt λ tp Tương tự như ở phần trên, sự phân bố nhiệt trong hệ thống này gần đúng theo tỷ lệ 100:1000:25000. Trên cơ sở tỷ lệ này, ta có thể đi đến kết luận tương tự như ở trường hợp trên: 9 Thứ nhất – thời gian truyền nhiệt vào trung tâm đồ hộp này lớn 9 Thứ hai – thời gian này hầu như do nhiệt trở thực phẩm quyết định, bởi vì so với nhiệt trở của thực phẩm thì nhiệt trở của vỏ hộp chỉ chiếm 4% tổng giá trị nhiệt trở. Nhiệt trở trong hệ thống “vỏ hộp – thực phẩm” là: σ 2b = IV.3 / Kích thước hình học của bao bì: Ở phần trước, ta đã biết rằng hằng số độ trơ nhiệt f h không chỉ phụ thuộc vào tính chất vật lý của thực phẩm mà còn phụ thuộc kích thước bao bì: kích thước bao bì càng lớn, hằng số f h càng lớn. Boll đã đề nghị công thức cho phép xác định f h trong các trường hợp cụ thể mà không cần phải làm thực nghiệm. Nhờ công thức này, ta chỉ cần biết 1 giá trị f h bất kỳ nào đó là sẽ tính được kích thước f h bất kỳ theo mọi kích cỡ cho các hộp. f h1 f h2 k1 .d12 = k 2 .d 22 (25) f h1 – hằng số độ trơ nhiệt đã biết từ thực nghiệm của hộp có đường kính d1. f h2 – hằng số độ trơ nhiệt cần tính cho một hộp khác có đường kính d2. StoneyFace Page 20 of 37 Thanh trùng đồ hộp