Инактивация посторонней микрофлоры

Тепловая обработка

Экономичность, надежность, удобность делают метод снижения или повышения температуры молока и молочных продуктов самым распространенным способом инактивации нежелательной микрофлоры.

Среднее значение оптимальной температуры жизнедеятельности микрофлоры, встречающейся в молоке, в основном совпадает с температурой тела млекопитающих. Понижение температуры приводит сначала к замедлению, а затем и к прекращению обменных процессов. Охлаждения молока и молочных продуктов до 4-10°С в большинстве технологических процессов оказывается достаточно для требующейся задержки развития микроорганизмов.

Первый раз охлаждению подвергают молоко на ферме. Чтобы сохранить бактерицидные и бактериостатические свойства молока на несколько суток, создать условия для нормального протекания всех технологических процессов его последующей переработки на молочном предприятии, необходимо в течение нескольких минут после выдаивания снизить температуру молока до 18-20°С, а затем за 1-3 ч – до 4-10°С. Такое охлаждение – самый надежный способ защиты от развития до опасных пределов вредной стафилококковой и другой инфекции в молоке.

Во время изготовления молочных продуктов технолог должен обеспечить условия, при которых молоко и молочные продукты, как правило, имеют температуру в интервале от 15 до 45°С не более нескольких минут. Исключение составляет технология ферментированных молочных продуктов, при производстве которых в этом диапазоне температур производится культивирование молочнокислых бактерий.

Чаще всего для охлаждения молока, пахты и сыворотки ис­пользуют пластинчатые аппараты. Для охлаждения молочных продуктов с высокой вязкостью (творожный сгусток, высокожирные сливки и т.д.) применяют цилиндрические аппараты, с теплообменной поверхности которых продукт непрерывно удаляется с помощью специальных скребков или шнеков.

В тех случаях, когда по требованиям технологии необходимо жесткое подавление жизнедеятельности микрофлоры, прибегают к повышению температуры молока. Процесс этот назван по имени французского ученого Луи Пастера пастеризацией. Использование процесса в применении к молоку предложено на основании результатов исследований И.И. Мечникова. В основе бактерицидного действия высоких температур на микробные клетки лежит повреждение рибосом, денатурация ферментных и мембранных белков.

Для того чтобы влияние нагрева молока привело к гибели микробных клеток, необходимо определенное время т, которое тем меньше, чем выше температура. Это время затрачивается как на прогрев самой бактериальной клетки, так и на протекание сложной цепи биохимических реакций, приводящих в конечном счете к прекращению жизнедеятельности микроорганизма.

Помимо температуры инактивация микроорганизмов зависит от активности воды. В цельном и обезжиренном молоке, пахте и сыворотке активность воды находится на высоком уровне. Но в этих же продуктах после их сгущения, в смеси для мороженого, в чеддеризованной сырной массе, плавленом сыре, в сгущенном молоке с сахаром значительная часть влаги находится в связанном состоянии и активность воды ниже. Это повышает сопротивляемость микроорганизмов к действию высокой температуры.

Перевод рН молочной плазмы из оптимального для бактерий интервала в экстремальные диапазоны усиливает ингибирующее воздействие на микробы.

Кроме перечисленных выше факторов, на эффективность в сильной мере влияет степень механической загрязненности молока. Чем крупнее посторонние частицы в молоке и чем больше их количество, тем выше защищенность микроорганизмов от теплового воздействия, а следовательно, и ниже эффективность пастеризации.

Наличие или отсутствие этих факторов нужно учитывать при установлении режимов пастеризации и в первую очередь при выборе необходимой продолжительности выдерживания продукта после достижения температуры тепловой обработки.

Исходя из принципов системного подхода при тепловой обработке молока и молочных продуктов, целью должно быть не только соблюдение установленных режимов пастеризации, но и достижение конечного результата – снижение численности популяции микроорганизмов до необходимого уровня.

Необходимый минимум численности бактерий обеспечивается регулированием времени выдержки, а в допустимых случаях и температурой пастеризации.

При выборе производственных режимов пастеризации наряду с необходимостью подавления микрофлоры учитывают и особенности технологии того или иного молочного продукта. Так, при изготовлении сычужных сыров температура пастеризации устанавливается в пределах 72-76°С, чтобы не вызывать денатурации и перехода в сырную массу сывороточных белков. В производстве же кисломолочных продуктов, наоборот, повышают температуру пастеризации до 95°С, чтобы оказать тепловое воздействие на белковую систему молока. Конкретные режимы пастеризации молока для каждого вида продукции указывают в соответствующих технологических инструкциях.

После того как процесс пастеризации проведен и микрофлора в нужной степени инактивирована, молоко чаще всего подвергают немедленному охлаждению. Причин тому несколько.

Во-первых, в молоке одновременно с бактериями при нагреве разрушается естественная антибактериальная тиоцианат-пероксидазная система. В связи с этим обостряется потребность в применении искусственных приемов защиты от развития сохранивших свою жизнедеятельность микроорганизмов.

Во-вторых, молоко необходимо предохранить от поражения вторичной микрофлорой, которая с течением времени адаптируется к условиям, в которых эксплуатируются аппараты для пастеризации молока, и развивается в местах, затрудненных для механизированной мойки и дезинфекции (застойные зоны, поверхности под резиновыми прокладками и т.д.).

В-третьих, необходимо предохранить молоко от опасности размножения в нем патогенных форм микроорганизмов, которые могут попасть в него после пастеризации через воздух, руки обслуживающего персонала, плохо промытые части оборудования и т.п.

Наибольшее распространение получили пластинчатые пастеризаторы. Типовая пастеризационно-охладительная установка имеет в своем составе пластинчатый теплообменник с пятью секциями, выдерживатель, сепаратор-молокоочиститель, питательный насос, сосуд с регулируемым уровнем поступающего молока, систему приготовления и подачи горячей воды, систему автоматизированного контроля и управления.

В специальном выдерживателе молоко задерживается на определенное время для завершения инактивации микрофлоры, после чего начинается процесс охлаждения, сначала в секциях регенерации, затем в секциях водяного и рассольного охлаждения.

Важная роль отводится возвратному клапану, который направляет молоко в питательный бак для повторной пастеризации, если не был обеспечен нагрев молока до установленной температуры пастеризации.

В зависимости от технологического назначения пастеризационно-охладительные установки имеют отличительные черты в конструктивном исполнении. Так, агрегаты, предназначенные для тепловой обработки молока, при производстве кисломолочных продуктов имеют более развитую поверхность секции пастеризации, в которой температура поднимается до 90-95°С. Выдерживание молока проводится в течение 5-6 мин., что вызывается необходимостью максимального снижения числа Мечникова, а также придания белковой системе молока определенных свойств, обеспечивающих хорошую консистенцию кисломолочных продуктов.

В некоторых случаях охлаждение молочных продуктов после пастеризации не проводится. Это имеет место, например, при нагреве сливок перед вторым сепарированием при производстве сливочного масла, при нагреве молочных продуктов перед сгущением в вакуум-выпарных установках при выпуске молочных консервов. В этих условиях для нагрева молока часто используют трубчатые теплообменники.

Удобны трубчатые теплообменники и для предприятий малой производственной мощности. Иногда они играют роль секции пастеризации, которая работает в наиболее жестких условиях. Остальные же секции регенерации и охлаждения остаются пластинчатого типа.

Режимы тепловой обработки, при которых температура не превышает 100°С, принято называть пастеризационными. Инактивацию микрофлоры за счет нагрева выше 100°С относят к стерилизации. В некоторых случаях выделяют промежуточную область, называя ее ультравысокотемпературной (УВТ) обработкой молока.

При стерилизации происходит уничтожение не только вегетативных форм микроорганизмов, но и их спор, которые при обычных режимах пастеризации не погибают. Стерилизация ингибирует микрофлору молока и молочных продуктов в такой степени, что последние могут храниться в течение длительного времени при комнатной температуре. Однако это становится возможным только при исключении вероятности повторного обсеменения продуктов посторонними микроорганизмами. Для этого принимают специальные меры.

В одних случаях молочные продукты стерилизуют непосредственно в таре: питьевое молоко в стеклянных или пластмассовых бутылках, молочные консервы и плавленый сыр в жестяных или полимерных банках. В других – фасование молока и молочных продуктов осуществляется в асептических условиях (молоко в многослойных полимерных пакетах).

Стерилизация требует ускоренного нагрева продукта до высоких температур. В одних установках сохраняется, как и для пастеризации, косвенный нагрев через стенки пластин теплообменника горячей водой, которая находиться в этом случае под соответствующим давлением, предупреждающим вскипание.

В других установках используется также пароконтактный метод нагрева, когда молоко непосредственно смешивается со свободным от каких-либо примесей перегретым водяным паром. Недостатком способа является отсутствие рекуперации тепла, а следовательно, и повышенный расход тепловой энергии.

Вакуумную обработку сочетают с нагревом молока не только в пароконтактных агрегатах. В некоторых случаях она включается в состав установок для пастеризации молока в сыроделии или сливок при производстве масла, при этом достигается дегазация молока, что имеет значение в производстве сыров, а также некоторое удаление летучих веществ, ответственных за посторонние запахи и привкусы.

Чем выше степень подавления микрофлоры молока и молочных продуктов, тем больше затраты энергии и труда, сложнее конструкция оборудования, значительнее неблагоприятные изменения белков, углеводов и других компонентов молока. Поэтому для каждого случая использования тепловой обработки нужно проводить обоснованный выбор намечаемой степени инактивации микрофлоры. При этом в расчет должны быть приняты условия и сроки хранения молочных продуктов после тепловой обработки, затраты труда, энергии, материалов и др.

Физические и химические способы

инактивации микрофлоры

Гибель бактерий в молоке и молочных продуктах происходит и при воздействии на них некоторых физических факторов. В частности, к ним относится ультрафиолетовое облучение. Кванты ультрафиолетовой части спектра обладают достаточно высокой энергией (порядка 12 эВ) и поэтому могут изменять характер биохимических превращений в клетках микроорганизмов, вызывая их инактивацию. Повреждение ДНК служит основной причиной ингибирования бактерий под действием ультрафиолетового облучения. Воздействие УФ-лучами используют в молочной промышленности для пастеризации молока и подавления воздушно-взвешенных вегетативных и споровых форм в атмосфере помещений с повышенным санитарно-гигиеническим режимом (отделения для приготовления производственных заквасок, камеры для созревания сыров, участки фасования и асептического розлива молочных продуктов и т.д.).

Другой вид радиации – ионизирующее излучение – может глубоко проникать в молочный продукт, обеспечивая холодную пастеризации или стерилизацию. Имеются тенденции использования облучения в сочетании с мягкой тепловой обработкой для уничтожения специфических патогенных микроорганизмов.

Придание взвешенным в воздухе микрочастицам определенного отрицательного заряда, что происходит в процессе ионизации воздуха, приводит к ингибированию микробного аэрозоля. Аэроионизацию используют для инактивации спор плесневых грибов в атмосфере камер созревания и хранения сыров. Это снижает вероятность развития плесеней на поверхности сыра.

К физическим методам борьбы с нежелательной микрофлорой молока относится также бактофугирование. При этом из молока в виде фугата при использовании специальных сепараторов выделяется биомасса бактерий, плотность которых выше, чем у плазмы молока. Обычно используются последовательно две бактофуги, которые удаляют из молока до 97% клеток микроорганизмов.

Очистить от бактерий молочные продукты можно и за счет пропускания их через мембраны. Так как бактерии имеют в среднем размер одного микрометра, они отделяются от пермеата уже при проведении процессов микрофильтрации. Более высокая очистка от микробных клеток достигается при ультрафильтрации.

Из химических способов инактивации микрофлоры наибольшее распространение в молочной промышленности получило ингибирование сорбиновой кислотой или ее солями. Сорбиновую кислоту вводят в состав плавленых сыров, наносят на поверхность твердых сыров при их созревании, включают в состав различных покрытий, призванных защитить сыры от плесневения во время созревания. Более сильным, чем у сорбиновой кислоты, фунгицидным действием обладают дегидрацетовая кислота и ее соли.

Очень сильным ингибиторным эффектом по отношению к микроорганизмам молока и сыворотки обладают некоторые вещества растительного происхождения, например плюмбагин и юглон. Их можно эффективно применять для консервирования молочной сыворотки во время ее транспортирования и хранения. С этой же целью в некоторых случаях используют низкомолекулярные кислоты (пропионовую, муравьиную) и пероксид водорода. Последнее соединение даже в очень слабых концентрациях (8-10 миллионных долей) активирует естественную антибактериальную систему молока.

Активно подавляет развитие плесневых грибов озон. Озонирование камер созревания и хранения сыров проводят с целью инактивирования споровых и вегетативных форм плесеней и дрожжей.

Применение химических ингибиторов микрофлоры молока и молочных продуктов разрешается только при наличии санкции органов здравоохранения.

Воздействие инактивирующих факторов

на компоненты молока

Бактерицидное воздействие на микрофлору не проходит бесследно. В той или иной мере меняют свои физико-химические и биохимические свойства и составные части молока. Чем сильнее эффект подавления жизнедеятельности микроорганизмов, тем заметнее, как правило, и изменения компонентов молока.

Наиболее чувствительной следует считать белковую систему молока. Нагревание приводит к существенным изменениям в структуре белковых частиц. Масштаб этих изменений в первую очередь определяется уровнем активной кислотности.

Сывороточные белки молока значительно чувствительнее к температурным воздействиям. Четвертичная и третичная структуры этих белков меняются при нагреве настолько, что уже при 66-70°С начинается оседание белкового налета на передающих тепло поверхностях. Для разрушения, а точнее расформирования, нативной структурной оболочки сывороточных белков требуется определенное время, измеряемое минутами. Об этом свидетельствует тот факт, что, если молоко после достижения 72°С выдерживать в течение 7 мин. в буферной емкости, белковые отложения на поверхностях, с которыми контактирует молоко при дальнейшем нагреве, почти не образуются. В этот период происходит формирование новых надмолекулярных структур сывороточных белков с мицеллами казеина.

На тепловую устойчивость белков молока влияет и ионное окружение. В первую очередь это касается ионов кальция и фосфора, входящих в состав казеиновой надмолекулярной структуры. Повышение концентрации кальция приводит к снижению термоустойчивости казеинового комплекса.

Во время тепловой обработки наблюдается снижение концентрации растворимых фосфатов и цитратов кальция и, соответственно, минерализация белковых структур.

Длительная высокотемпературная обработка приводит к видимому побурению цвета и появлению характерного вкуса топленого молока. Эти изменения – последствия происшедшей реакции Майяра, при которой в результате взаимодействия белков молока и лактозы образуются комплексные соединения, получившие название меланоидины.

Технология некоторых продуктов (ряженки, топленого молока и др.) предусматривает соблюдение специальных режимов тепловой обработки, нацеленных на ускорение меланоидинообразования, побурение цвета и появление характерного привкуса. Однако сами меланоидины организмом человека не усваиваются, т.к. не разрушаются ферментами пищеварительного тракта.

Температурные воздействия на жировую фазу молока вызывают следующие изменения: уже при небольшом нагреве внутри защитных оболочек начинает плавиться жир, выше 61°С становятся заметными изменения в белковой части оболочек. Одно из следствий этих изменений – уменьшение отстоя сливок. При нагреве выше 100°С возможна деструкция оболочек жировых шариков и соответственное появление свободного молочного жира. Гомогенизация увеличивает поверхность раздела фаз и снижает вероятность термодеструкции адсорбционной белковой зоны.

Тепловая обработка молока приводит к заметным изменениям в витаминном составе молока, в особенности в случае применения высоких температур нагрева и достаточно продолжительного их действия. Считается, что при обычных режимах пастеризации теряется до 12% витаминов, а при высокотемпературных – до 40%.

Повышение температуры приводит к пространственной переориентации в надмолекулярных структурах белков. Естественным следствием этого является потеря каталитической активности ферментов молока.