Барьерные технологии

Назначение любой барьерной технологии - сохранить безопасность и качество пищевых продуктов при хранении их длительное время, т.е. продуктов с увеличенным сроком годности.

Ухудшение качества продуктов является следствием целого ряда реакций и процессов, среди которых преимущественно физические (например, выделение влаги в окружающую среду или ее поглощение, а также обмен влагой между отдельными компонентами продукта, имеющего сложный состав), химические (например, прогорклость, вызванная окислительными реакциями), ферментные (прогорклость, вызванная липолизом) и микробиологические (рост патогенных, условно-патогенных микроорганизмов и микроорганизмов порчи). Наименее желательной (наихудшей) формой потери качества пищевого продукта являются микробиологические процессы, поскольку развитие болезнетворных и токсикогенных микроорганизмов служит прямой угрозой здоровью потребителя. В связи с этим главнейшим приоритетом при создании безопасных и качественных пищевых продуктов с пролонгированным сроком хранения остается, если не исключение, то сведение к минимуму возможности появления и роста портящих и отравляющих продукт микроорганизмов.

Действие большинства применяемых в настоящее время барьерных технологий заключается в замедлении роста микроорганизмов, а не в их инактивации. Это, например, охлаждение, замораживание, сушка, посол, консервирование, упаковывание под вакуумом, упаковывание в модифицированной атмосфере, подкисление, ферментация, внесение консервантов. Несмотря на то, что технологий, воздействие которых заключается, напротив, в инактивации микроорганизмов, а не в их подавлении, значительно меньше (это пастеризация и стерилизация), их нельзя сбрасывать с весов. Существует целый ряд продуктов, при производстве которых с целью обеспечения их безопасности применяются именно такие технологии. При этом используются дополнительные процедуры, действие которых заключается в ограничении возможности проникновения микроорганизмов в пищевые продукты после первичной технологической обработки, например, упаковывание в асептических условиях.

Среди факторов, влияющих на стабильность показателей безопасности продукта, следует, прежде всего, назвать температуру, рН, активность воды, окислительно-восстановительный потенциал, наличие консервантов. Рассмотрим основные из них.

Снижение температуры при холодильном хранении продуктов приводит к уменьшению количества типов микроорганизмов, способных размножаться. Например, основные патогенные микроорганизмы, такие, как клостридиум перфрингенс и клостридиум ботулинум, не могут расти при температуре ниже 12 º С, в то время, как некоторые протеолитические штаммы клостридиум ботулинум способны расти при температуре 3 º С. Более того, некоторые патогенные микроорганизмы, например, листерия моноцитогенес, ерcиния энтероколитика могут размножаться при еще более низкой температуре, примерно около 0 º С. Поэтому надежный контроль поддержания низких температур, близких к 0 º С, обеспечивает возможность эффективного и безопасного консервирования пищевых продуктов. К сожалению, в производственной практике такой точный контроль условий хранения продуктов, реализуемых на предприятиях розничной торговли, неосуществим. Однако следует отметить, что при надлежащем контроле и проведении всех операций в торговой сети при температуре не выше 3 º С возможно обеспечить желаемый эффект. Нельзя забывать, что некоторые микроорганизмы порчи, не образующие спор, способны медленно размножаться вплоть до –7 º С, так что замороженные продукты могут также подвергаться порче, если есть возможность повышения температуры до указанного уровня. Замораживание снижает активность воды и, вероятно, подавление некоторых типов микроорганизмов в замороженных продуктах связано не с низкой температурой, а с низкой активностью воды. Поскольку плесневые грибы и дрожжи выдерживают более низкую активность воды, чем бактерии, очевидно, что вероятность их роста на замороженных продуктах более высока. Поэтому порча замороженных продуктов чаще вызывается дрожжевыми и плесневыми грибами, а не бактериями.

Снижение активности воды. Активность воды, как известно, является важным фактором, позволяющим контролировать возможность роста микроорганизмов в пищевом продукте. Известно, что некоторые из наиболее распространенных нежелательных микроорганизмов, например, псевдомонады, очень чувствительны к снижению активности воды. Их рост прекращается даже при снижении а_w до 0, 97. Подавление патогенных микроорганизмов Clostridia наблюдается при а_w не выше 0, 94, большинства штаммов Bacillus – при а_w 0, 93, хотя некоторые из них способны расти при а_w не выше 0, 90. S. aureus наиболее устойчив к низкой активности воды и может размножаться при ее значении 0, 86 в аэробных условиях и при 0, 91 – в анаэробных. Многие дрожжевые и плесневые грибы могут расти при активности воды не выше 0, 86, а некоторые осмофильные дрожжевые и ксерофильные плесневые грибы способны медленно размножаться при активности воды не выше 0, 6. Поэтому во избежание любой возможности роста микроорганизмов стремятся обеспечить значение активности воды, близкое к 0, 3.

Снизить активность воды можно путем внесения соли, добавления сахара, удалением из продукта воды при помощи сушки, а также иммобилизацией воды замораживанием.

Снижение рН. Для каждого вида микроорганизмов, присутствующих в пищевых продуктах и способных вызвать их порчу, существует минимальное значение рН, ограничивающее их рост. Особое внимание уделяется значению рН, равному 4, 5, т.к. по всеобщему убеждению, при рН, ниже этого значения, рост клостридиум ботулинум невозможен. Отсюда следует, что нет необходимости проводить тепловую обработку пищевых продуктов с рН ниже указанного значения при тех же температурах, что и продукты с более высоким рН (более низкой кислотностью). Рост других микроорганизмов, вызывающих порчу пищевых продуктов, прекращается при рН ниже 4, 2. Основными микроорганизмами, присутствующими в продукте с рН ниже указанного значения, являются молочнокислые бактерии, а также дрожжевые и плесневые грибы, многие из которых способны расти при рН ниже 3.

Консерванты. Эффективность консервирования снижением рН может быть повышена за счет применения ряда кислот, которые, как правило, являются основой ряда консервантов. Известно, что консерванты, основой которых являются слабые органические кислоты (бензойная, сорбиновая, пропионовая) и неорганические кислоты (например, сернистая и азотистая) более эффективны при низком, чем при высоком рН.

Упаковывание под вакуумом и в модифицированной атмосфере. Применяются достаточно широко в пищевых технологиях. Эффективность данной технологии зависит от ряда факторов. Во-первых, от степени удаления кислорода с последующим исключением роста облигатных аэробных микроорганизмов и замедлением роста факультативных анаэробных микроорганизмов. Во-вторых, двуокись углерода, обычно включаемая в состав модифицированной атмосферы, которой наполняется упаковка с продуктом, оказывает дополнительное антимикробное воздействие, особенно заметное при низкой температуре.

Тепловая обработка. Пастеризация и стерилизация широко применяются в некоторых крупнейших и наиболее важных отраслях пищевой промышленности. При достаточном по температуре и длительности режиме в первом случае обеспечивается инактивация вегетативных микроорганизмов, во втором – инактивация спор микроорганизмов. Не следует забывать, что термостойкость отдельных микроорганизмов имеет весьма широкий диапазон значений в зависимости от конкретного типа, а иногда и штамма, а также от того, находятся ли клетки в вегетативном состоянии или присутствуют в виде спор. Некоторые вегетативные бактерии, например, глюконобактер, весьма чувствительны к нагреванию и для их уничтожения достаточно нескольких секунд при температуре 60 º С. С другой стороны, устойчивость некоторых энтерококков в несколько сот раз выше, в результате чего они выживают и создают проблемы, связанные с порчей пищевых продуктов. Диапазон значений сопротивляемости спор бактерий также существенно варьируется, даже в пределах типа. Например, для уничтожения спор клостридиум ботулинум типа Е достаточно нескольких минут при 80 º С, а для уничтожения спор клостридиум ботулинум типа А требуется примерно 30 мин при 100 º С.

Следует отметить, что тепловая обработка и по сей день остается основным средством инактивации микроорганизмов, присутствующих в пищевых продуктах. Однако в мире ведутся исследования по разработке новых технологий консервирования физическими методами.

Среди физических процессов инактивации микроорганизмов, не связанных с тепловой обработкой, можно назвать следующие:

• облучение,
• высокое гидростатическое давление,
• переменное электрическое поле,
• лазер высокой интенсивности,
• обработка ультразвуком.

Некоторые из них вызывают менее значительную потерю вкусовых и структурных свойств, питательных веществ и других важных характеристик качества, чем традиционная тепловая обработка, и поэтому считаются перспективными для консервирования пищевых продуктов, подвергнутых минимальной технологической обработке.

Например, использование ионизирующего облучения при производстве целого ряда пищевых продуктов одобрено в настоящее время в более чем 40 странах мира. При этом в большинстве стран допустимые дозы ограничены значениями, по эффективности обработки сходными с пастеризацией (но не со стерилизацией). Рассматривается вопрос о снятии верхнего допустимого предела дозы ионизирующего облучения, что будет способствовать более широкому его применению при производстве продуктов питания, однако, это встречает сопротивление покупателей.

Промышленное использование технологической обработки высоким гидростатическим давлением пользуется наибольшей популярностью и нашло свою область применения на рынке сбыта. Оно применяется для консервирования пищевых продуктов высокого качества с высоким рН: джемов, фруктовых соков, желе, соусов, фруктов, добавляемых в йогурты, ингредиентов, вносимых в мороженое, различных заправок, а также других продуктов с повышенным рН, например, мяса, упакованного нарезанным ломтиками.

Для уничтожения вегетативных микроорганизмов, в том числе, дрожжевых и плесневых грибов, применяют давление до 600 МПа. При этом споры многих типов микроорганизмов остаются чрезвычайно устойчивыми к действию одного лишь давления. Очевидно, создание барьеров, при которых применяют давление в сочетании с другими методами антимикробной обработки, имеет хорошую перспективу в будущем.

Использование электрических импульсов высокого напряжения при производстве пищевых продуктов (в основном, жидких) позволяет инактивировать вегетативные формы бактерий, дрожжевые и плесневые грибы, но не споры. Разработана технология, по которой данный метод применяется для пастеризации, не связанной с тепловой обработкой, таких продуктов, как фруктовые соки, молоко, супы, жидкие яичные продукты.

В течение длительного времени известно, что лазер высокой интенсивности и некогерентный свет инактивируют микроорганизмы. Эффект является, главным образом, результатом влияния ультрафиолетового излучения и иногда кратковременного нагревания. Созданы и запатентованы машины для обработки продуктов, которые можно применять в промышленных условиях. В зависимости от области применения используют разные спектральные составы и виды энергии. Например, для обеззараживания упаковочных материалов, воды и других прозрачных жидкостей используют свет, обогащенный ультрафиолетовым излучением, в котором примерно 30 % волн имеет длину менее 300 нм. В данном случае основной (смертоносный) эффект достигается действием ультрафиолетового компонента. При обработке же поверхностей пищевых продуктов, когда ультрафиолетовое излучение может привести к нежелательным последствиям, например, потере цвета, УФ-излучение отфильтровывают. Здесь эффект достигается за счет нагревания, которое носит местный характер и оказывает очень ограниченное воздействие на продукт.

Ультразвук высокой интенсивности также может инактивировать микроорганизмы, разрушая их. Эффективность обработки УЗ может усиливаться применением высокой температуры и незначительно повышенного давления – комбинированный барьер. В этом направлении еще ведутся исследования, тем не менее, есть сведения, что данная обработка (повышенное давление/высокая температура/ультразвук) одинаково эффективно воздействует на вегетативные клетки и на споры.

Применение новых технологий, основанных на физических методах, для инактивации микроорганизмов, содержащихся в продуктах, без использования интенсивной тепловой обработки очень привлекательно с точки зрения сохранности качества продуктов. Однако, несмотря на то, что некоторые из перечисленных способов в частности, высокое давление, находят все более широкое применение, существует ряд проблем, которые необходимо преодолеть для повсеместного распространения этих технологий. Это, во-первых, тот факт, что споры бактерий все же очень устойчивы к большинству новых методов обработки, и результатов, эквивалентных получаемым при горячей стерилизации, добиться нелегко. Во-вторых, требует дальнейшего изучения безопасность данных процедур, с учетом степени уничтожения патогенных микроорганизмов. Третья проблема, связанная с предыдущей, состоит в том, что кинетика инактивации микроорганизмов данными методами иная и не так проста, как кинетика тепловой обработки.

Таким образом, для достижения максимального эффекта целесообразно рассматривать комбинации консервирующих факторов – барьеров. Если имеется больше одного барьера, возникает дополнительный или даже взаимно усиливающийся эффект, являющийся основой барьера.

Консервирующие факторы были названы барьерами в 1976 г. (Ляйстнер), в 1978 г. было введено понятие «эффекта барьера», которое обозначало сложное взаимодействие нескольких подавляющих факторов, действующих в пищевых продуктах. Из понимания влияния барьера выросла барьерная технология (1985 г.), цель которой – не просто понимание причин стабильности и безопасности конкретного продукта, но и улучшение его микробиологического качества путем оптимизации и модификации имеющихся барьеров.

Предпочтительным является применение барьеров с разным механизмом действия, т.к. уже при применении барьеров умеренной интенсивности можно получить микробиологически стабильный продукт. На практике это означает, что более эффективным будет использование разных барьеров малой интенсивности в одном и том же продукте, а не использование одного барьера высокой интенсивности, поскольку у разных консервирующих факторов могут быть разные объекты воздействия. Например, разрушение клеточной мембраны, повреждение репликации ДНК, ферментных систем, особенно чувствительных к рН, активности воды и т.д. Следовательно, если речь идет об использовании добавок, то барьерная технология не должна предусматривать внесение большого их количества, а уменьшать его, даже если при этом будет возрастать их ассортимент. При этом будет иметь место взаимно усиливающееся многоцелевое воздействие.

Сначала концепцию барьерной технологии использовали только для повышения микробиологической стабильности и безопасности продукта. Впоследствии из более глубокого понимания эффекта барьера выросла барьерная технология, означающая целенаправленное использование комбинаций барьеров при консервировании традиционных и новых продуктов питания, позволяющая оптимизировать сенсорные свойства, питательную ценность, а также экономические аспекты производства пищевых продуктов. С экономической точки зрения важно, чтобы активность воды в продукте можно было сопоставить с его микробиологической стабильностью. И если повышенная активность воды может быть компенсирована другими барьерами (рН, Еh), то производство пищевых продуктов обычно становится более экономичным.