Nhiệt độ tiệt trùng hơi nước và các yếu tố ảnh hưởng

Các yếu tố ảnh hưởng đến thời gian truyền nhiệt trong quá trình tiệt trùng

+ Tính chất vật lý của sản phẩm

Các loại đồ hộp có tính chất vật lý khác nhau như độ nhớt và trọng lượng riêng. Do đó các loại đồ hộp có thời gian truyền nhiệt khác nhau.

– Các loại đồ hộp sản phẩm lỏng (như nước quả) có độ nhớt thấp và tỉ trọng nhỏ, nên sự truyền nhiệt của các sản phẩm này xảy ra nhanh bằng các dòng đối lưu. Nhiệt độ ở giữa hộp đạt tới nhiệt độ tiệt trùng chậm hơn ở thiết bị đạt tới nhiệt độ tiệt trùng khoảng 13 – 15 phút.

– Các loại đồ hộp sản phẩm đặc (như paté, thịt hầm) sự truyền nhiệt của các sản phẩm này bằng cách dẫn nhiệt. Vì hệ số dẫn nhiệt của thực phẩm nhỏ nên sự đun nóng các sản phẩm này xảy ra chậm. Nhiệt độ tiệt trùng ở giữa hộp đạt được chậm hơn nhiệt độ tiệt trùng ở thiết bị khoảng 40 phút.

– Các loại đồ hộp sản phẩm có phần ở thể đặc, có phần ở thể lỏng (như đồ hộp quả nưóc đường, cá ngâm dầu). Sự truyền nhiệt xảy ra theo hai cách : đối lưu và dẫn nhiệt. Nhiệt độ tiệt trùng ở giữa hộp đạt được chậm hơn nhiệt độ tiệt trùng ở thiết bị khoảng 28 phút.

Ngoài ra các dung dịch có chứa nhiều đường, tinh bột, pectin, cellulose làm ảnh hưởng đến tính chất vật lý nên ảnh hưởng đến thời gian truyền nhiệt. Có thể kéo dài thời gian truyền nhiệt.

+ Tính chất của bao bì

Các loại sản phẩm thực phẩm đựng trong các loại bao bì làm bằng vật liệu khác nhau, có độ dầy khác nhau, kích thước khác nhau. Nên thời gian truyền nhiệt trong chế độ tiệt trùng khác nhau.

– Ảnh hưởng tính chất vật lý của bao bì

Khi truyền nhiệt từ môi trường đun nóng bên ngoài vào khu vực trung tâm của bao bì. Trước hết phải khắc phục nhiệt trở của thành bao bì, nhiệt trở này phụ thuộc vào độ dầy của bao bì (δ) và hệ số dẫn nhiệt của vật liệu làm bao bì (λ). Nhiệt trở đó biểu thị bằng tỉ số δ/λ. Nhiệt trở chung càng lớn thì thời gian truyền nhiệt càng kéo dài.

Tính chất vật lý của các loại bao bì

Loại bao bì	Chiều dày trung bình [δ](m)	Đ ộ dẫn nhiệt [λ] (w/m. o C)	Nhiệt trở [δ / λ] ( o C.m 2 /w)
Sắt tây	0,24 – 0,26.10-3	46 – 52	4,6 – 7,8.10-5
Thủy tinh	2 – 6.10-3	0,6 – 0,9	200 – 1000.10-5

(Nguyễn Vân Tiếp. 2000)

Nhưng trong quá trình tiệt trùng, không thể nghiên cứu riêng rẽ ảnh hưởng nhiệt trở của bao bì, mà phải xét ảnh hưởng của cả khối sản phẩm :

• Trường hợp sản phẩm lỏng đựng trong bao bì sắt tây: sự truyền nhiệt từ môi trường đun nóng tới thành hộp sắt là sự truyền nhiệt chủ yếu bằng đối lưu. Thời gian truyền nhiệt đối với các sàn phẩm lỏng đựng trong bao bì sắt tây rất ngắn.
• Trường hợp sản lỏng đựng trong bao bì thủy tinh: sự truyền nhiệt gồm đối lưu và dẫn nhiệt. Thời gian truyền nhiệt trong chế độ thanh trùng này lớn hơn thời gian truyền nhiệt của trường hợp trên.
• Trường hợp sản phẩm đặc đựng trong bao bì sắt tây : sự truyền nhiệt ở bên trong hộp chủ yếu bằng dẫn nhiệt. Thời gian đun nóng trong trường hợp này sẽ kéo dài hơn 2 trường hợp trên. Và coi thời gian đó chủ yếu phụ thuộc vào tính chất và nhiệt trở của sản phẩm đặc.
• Trường hợp sản phẩm đặc đựng trong bao bì thủy tinh : Sự truyền nhiệt chủ yếu cũng bằng dẫn nhiệt. Thời gian truyền nhiệt trong trường hợp này dài nhất và phụ thuộc vào tính chất của bao bì thủy tinh và sản phẩm, trong đó tính chất của sản phẩm giữ vai trò chủ yếu.

Tóm lại trong cả 4 trường hợp: Tính dẫn nhiệt và độ dầy của bao bì chỉ có ảnh hưởng đáng kể đến thời gian truyền nhiệt trong chế độ thanh trùng khi có các dòng đối lưu mạnh. Trường hợp đồ hộp chứa sản phẩm đặc, nghĩa là sự truyền nhiệt chủ yếu bằng dẫn nhiệt thì các đặc điểm của bao bì ít có ảnh hưởng đến thời gian truyền nhiệt. Mà chủ yếu là tính chất của sản phẩm, sản phẩm càng đặc, càng có hệ số dãn nhiệt nhỏ và bề dầy lớp sản phẩm từ ngoài vào lớp giữa hộp càng lớn, thì thời gian truyền nhiệt càng kéo dài.

– Ảnh hưởng kích thước hình học của bao bì

Các loại bao bì có những hình dạng và kích thước hình học rất phức tạp. Nên việc nghiên cứu ảnh hưởng kích thước hình học của bao bì tới thời gian truyền nhiệt chưa được đầy đủ lắm. Loại bao bì có kích thước hình học đơn giản nhất là bao bì hình trụ. Dựa trên những kiến thức cơ bản của lý thuyết về truyền nhiệt, đã tính được thời gian truyền nhiệt của bao bì hình trụ theo công thức :

t­­_o = A (8,3HD + D²)

Với

H : chiều cao ngoài của hộp, (cm)

D : đường kính ngoài của hộp, (cm)

T₁ : nhiệt độ ban đầu của hộp, (^o­C)

T₂ : nhiệt độ khi cuối ở giữa hộp, (^oC)

T_n : nhiệt độ thanh trùng, (^oC)

λ : hệ số dẫn nhiệt chung của đồ hộp, (w/m^oC)

t_o : thời gian đun nóng ở giữa hộp từ nhiệt độ T₁ đến T₂, (phút)

Nếu thanh trùng cùng một sản phẩm đựng trong 2 bao bì có kích thước hình học khác nhau, thì ta có tỉ lệ đơn giản :

Công thức này cho ta tính được gần đúng thời gian truyền nhiệt một loại đồ hộp có kích thước khác khi đã biết thời gian truyền nhiệt của sản phẩm đó đựng trong bao bì xác định.

Công thức truyền nhiệt không những cho biết thời gian truyền nhiệt mà còn có thể khảo sát ảnh hưởng của các loại đồ hộp đó. Cùng một thể tích, nếu hộp dẹt (H/D<1) tức là hộp có đưòng kính lớn sẽ truyền nhiệt nhanh hơn hộp cao. Vận tốc truyền nhiệt cực đại khi H/D ≈ 0,25 .

+ Ảnh hưởng của nhiệt độ ban đầu của đồ hộp

Thời gian truyền nhiệt của đồ hộp còn phụ thuộc vào nhiệt độ ban đầu của đồ hộp trước khi thanh trùng và nhiệt độ của thiết bị thanh trùng.

– Đối với sản phẩm lỏng, do sự truyền nhiệt chủ yếu bằng các dòng đối lưu, nên nhiệt độ ban đầu ít có ảnh hưởng đến thời gian truyền nhiệt.

– Đối với sản phẩm đặc, thì sự truyền nhiệt chủ yếu bằng dẫn nhiệt, nên nhiệt độ ban đầu của sản phẩm có ảnh hưởng nhiều đến vận tốc truyền nhiệt của sản phẩm. Đồ hộp lúc thanh trùng càng nguội thì thời gian truyền nhiệt càng kéo dài.

Từ công thức t_o = A (8,3 HD + D²), với các giả thiết là nhiệt độ thanh trùng ở khoảng 110 – 120^oC, nhiệt độ ở giữa hộp sau khi đun nóng thấp hơn nhiệt độ của thiết bị là 1^oC, để lập ra công thức tính gần đúng thời gian truyền nhiệt đồ hộp như sau

• Đối với đồ hộp loại nguội (có nhiệt độ ban đầu : 20 – 45^oC)

• Đối với đồ hộp loại nóng ( có nhiệt độ ban đầu : 45 – 90^oC)

Theo 2 công thức này khi đun nóng đồ hộp nóng thì rút ngắn được 18% thời gian truyền nhiệt. Vậy đối với đồ hộp có nhiệt độ ban đầu càng nguội, thì vận tốc truyền nhiệt càng nhỏ, thời gian truyền nhiệt càng kéo dài.

+ Ảnh hưởng của trạng thái chuyển động của đồ hộp khi thanh trùng.

Trong sản xuất đồ hộp phần lớn các thiết bị thanh trùng đều là loại không làm chuyển động hộp khi làm việc. Vì vậy thời gian truyền nhiệt đối với các loại đồ hộp tương đối dài. Khi tạo ra sự đối lưu nhân tạo bằng cách làm chuyển động hộp thì sự truyền nhiệt sẽ tăng lên. Giảm được thời gian truyền nhiệt trong chế độ thanh trùng.

Muốn tạo ra sự đối lưu nhân tạo đó, người ta chế tạo các loại thiết bị thanh trùng có băng tải đồ hộp, thường là các thiết bị làm việc liên tục. Tùy theo cấu tạo của mỗi loại thiết bị mà đồ hộp có vận tốc chuyển động quay khác nhau hay phương pháp quay khác nhau.

Các yếu tố ảnh hưởng đến thời gian tiêu diệt vi sinh vật trong quá trình thanh trùng

+ Ảnh hưởng của nhiệt độ thanh trùng

Ở nhiệt độ 60^OC thì các loại vi sinh vật đã có thể bắt đầu bị tiêu diệt. Nhưng nếu nhiệt độ thanh trùng thấp thì phải kéo dài thời gian tiêu diệt. Ngược lại, nhiệt độ thanh trùng càng cao thì thời gian tiêu diệt càng ngắn.

Giữa thời gian tiêu diệt vi sinh vật và nhiệt độ thanh trùng có mối quan hệ logarite. Người ta đã xác định được mối liên hệ đó theo phương trình sau:

T2 – T1

t₁ = t₂^’ . 10 ^Z

t₁ : thời gian tiêu diệt vi sinh vật tương ứng với nhiệt độ T₁ (phút)

t₂^’: thời gian tiêu diệt vi sinh vật tương ứng với nhiệt độ T₂ (phút)

z : hệ số nhiệt đô, tùy theo tính chất của mỗi loại vi sinh vật mà có trị số z khác nhau (loại tiêu biểu nhất, trong chế độ thanh trùng đồ hộp, phải loại trừ là Clostridium botulinum có trị số z = 10^OC).

+ Ảnh hưởng thành phần hóa học của sản phẩm

Vi sinh vật sống trong môi trường của sản phẩm thực phẩm khác nhau, thì nhiệt độ tiêu diệt các loại vi sinh vật đó không giống nhau. Vì vậy cần khảo sát các thành phần hóa học của môi trường thực phẩm đến khả năng tiêu diệt bằng nhiệt các vi sinh vật đó.

Ảnh hưởng của độ acid: chỉ số pH là yếu tố quan trọng có ảnh hưởng đến độ bền đối với nhiệt của vi sinh vật. Nếu môi trường có độ acid hoạt động càng cao (chỉ số pH nhỏ) thì ở nhiệt độ thanh trùng nhất định, thời gian tiêu diệt vi sinh vật càng ngắn. Tuy nhiên vẫn có những trường hợp cá biệt chỉ số pH hầu như không có ảnh hưởng đến thời gian tiêu diệt vi sinh vật.

Ảnh hưởng của pH đến sự kháng nhiệt của bào tử vi khuẩn Clostridium sporogenes ở nhiệt độ 115C

pH	Thời gian kháng nhiệt tối đa (phút)
5,0	9
5,7	12
6,0	15
6,6	21
7,0	25
7,5	20
8,2	15

(G. Guilmain. 1996)

Các kết quả nghiên cứu cho thấy không những chỉ có độ acid hoạt động của môi trường có ảnh hưởng đến độ bền nhiệt của vi sinh vật. Mà loại acid của môi trường cũng có ảnh hưởng đáng kể.

• Ảnh hưởng của nồng độ đường và muối: đường và muối là những chất có khả năng tạo ra áp suất thẩm thấu cao nên ảnh hưởng đến hoạt động của vi sinh vật.

Dung dịch đường có tác dụng bảo vệ vi sinh vật làm cho chúng khó bị tiêu diệt hơn khi đun nóng. Nếu thành phần thực phẩm có nhiều đường thì thời gian tiêu diệt càng kéo dài.

Nếu tăng nồng độ muối thì độ bền nhiệt của vi sinh vật càng giảm, chúng dễ bị tiêu diệt hơn.

Nhưng nếu nồng độ đường hay muối quá cao thì do tác dụng của hiện tượng tiêu nguyên sinh, các vi sinh vật đó yếu đi nhiều và dễ bị tiêu diệt.

• Ảnh hưởng của protid và lipid: trong các sản phẩm thực phẩm chứa nhiều protid, lipid thì thời gian tiêu diệt phải kéo dài. Vì các chất này làm cản trở sự truyền nhiệt để tiêu diệt các tế bào vi sinh vật. Hiện tượng này là do dung dịch keo (tế bào vi sinh vật) tiếp xúc với chất béo tạo thành màng. Tế bào vi sinh vật được màng này bảo vệ nên sự dịch chuyển nước từ môi trường xung quanh vào tế bào để làm đông tụ phần protid của tế bào ấy sẽ bị cản trở. Vì vậy trong môi trường càng nhiều chất béo, các vi sinh vật càng chịu được nhiệt độ cao, thời gian tiêu diệt càng kéo dài.
• Ảnh hưởng của các thành phần hóa học khác: ngoài các thành phần trên, thì các phitonxit cũng có ảnh hưởng lớn đến chế độ thanh trùng. Thời gian thanh trùng đồ hộp có thể giảm xuống khi cho thêm một số rau hay gia vị có chứa nhiều phitonxit như: hành, tỏi có allycin, cà chua có tomatin, ớt có capcaicin, tiêu có piperin … là các chất có tính chất kháng sinh. Do đó khi chế biến các loại đồ hộp thịt, cá ta cho thêm các gia vị này, không những làm tăng hương vị của sản phẩm mà còn giảm được mức độ nhiễm trùng trong đồ hộp trước khi thanh trùng. Và cũng giảm được thời gian thanh trùng cần thiết.

+ Ảnh hưởng của loại và số lượng vi sinh vật

• Thời gian tiêu diệt của một chế độ thanh trùng phụ thuộc rất nhiều vào đặc điểm của các loại vi sinh vật có thể phát triển trong đồ hộp, vì khả năng chịu nhiệt của các loại vi sinh vật rất khác nhau. Trong cùng một môi trường có cùng độ acid hoạt động, các loại vi khuẩn không nha bào bị tiêu diệt nhanh hơn loại vi khuẩn có nha bào. Thời gian tiêu diệt của phần lớn các vi sinh vật không nha bào chỉ cần ở 60 – 80^OC trong vài phút. Còn các loại vi sinh vật có nha bào phải đòi hỏi thời gian kéo dài hơn nhiều có thể hơn hàng giờ.
• Thời gian tiêu diệt trong chế độ thanh trùng còn phụ thuộc vào số lượng vi sinh vật nhiễm vào đồ hộp. Lượng vi sinh vật nhiễm nhiều thì thời gian tiêu diệt dài, cho thấy qua công thức :