Αρχές θερμικής επεξεργασίας

Η θερμική επεξεργασία αποτελεί ίσως την πιο ευρέως διαδεδομένη μέθοδο επεξεργασίας και συντήρησης τροφίμων. Εφαρμόζονται με διάφορες μεθόδους (άμεση επαφή μέσου θέρμανσης με το τρόφιμο ή έμμεσα), και εντάσεις αναλόγως του επιδιωκόμενου αποτελέσματος (ζεμάτισμα, μαγείρεμα, παστερίωση, αποστείρωση) και του προϊόντος στο οποίο εφαρμόζονται (υγρό, στερεό). Μπορεί να εφαρμοστεί από μόνη της είτε και σε συνδυασμό με άλλες τεχνολογίες (πχ ψύξη κλπ). Επιπλέον της εφαρμογής της για την επίτευξη επιθυμητών αλλαγών σε ένα τρόφιμο κατά την παρασκευή του (πχ κατά το μαγείρεμα, ζεμάτισμα, θερμική εξώθηση, ψήσιμο) εφαρμόζεται κυρίως για τη συντήρησή του.

Η θερμική επεξεργασία ως μέθοδος συντήρησης τροφίμων, στηρίζεται στην αδρανοποίηση ή και καταστροφή μικροοργανισμών στόχων (βλαστικών μορφών ή /και σπορίων) ή μορίων (πχ ενζύμων, τοξινών, αλλεργιογόνων κλπ) τα οποία μπορεί να αλλοιώσουν τα τρόφιμα. Βασικοί παράγοντες καθορισμού της αποτελεσματικότητας των θερμικών επεξεργασιών είναι ο στόχος (μικροοργανισμός, ένζυμο κλπ), η μεθοδολογία με την οποία εφαρμόζονται (εντός συσκευασίας ή εκτός) και η έντασή τους (συνδυασμός θερμοκρασίας & χρόνου). Επιπλέον αυτών ουσιώδη ρόλο καθορισμού της απαραίτητης θερμικής επεξεργασίας έχουν οι ιδιότητες του τροφίμου οι οποίες καθορίζουν τον τρόπο μετάδοσης της θερμότητας στο τρόφιμο προκειμένου να επιτευχθεί το ζητούμενο αποτέλεσμα, το μέσο μεταφοράς της θερμότητας, ο αρχικός αριθμός των μικροοργανισμών στόχων, η θερμοανθεκτικότητά τους, το pH του τροφίμου και η οποιαδήποτε άλλη επιπλέον συνδυαστική μέθοδος συντήρησης μετά τη θερμική επεξεργασία.

Στο σημείο αυτό καλό θα ήταν να οριστούν κάποια βασικά μεγέθη που χρησιμοποιούνται για τον καθορισμό της κατάλληλης θερμικής επεξεργασίας συντήρησης και εξηγούν τα παραπάνω.
 
Έτσι χρησιμοποιείται ο αριθμός D ο οποίος ορίζεται ως ο χρόνος θέρμανσης σε λεπτά σε κάθε θερμοκρασία που απαιτείται για τη μείωση του πληθυσμού ορισμένου είδους μικροοργανισμού κατά ένα λογαριθμικό κύκλο ή αλλιώς για μείωσή του κατά 90%. Ο αριθμός D είναι γνωστός και ως χρόνος θερμικού υποδεκαπλασιασμού του συγκεκριμένου μικροοργανισμού. Είναι προφανές ότι οι τιμές του D συσχετίζονται με το είδος του κάθε μικροοργανισμού και τη θερμοκρασία στην οποία υπόκειται κατά τη θερμική επεξεργασία. Στο παρακάτω παρίσταται σχηματικά ο προσδιορισμός του αριθμού D.

Γράφημα1: D-value
Με την εφαρμογή της θερμικής επεξεργασίας σε ένα εύρος διαφορετικών θερμοκρασιών προκύπτει μια σειρά διαφορετικών τιμών D (δηλαδή χρόνων που απαιτούνται στη συγκεκριμένη θερμοκρασία για την κατά ένα λογαριθμικό κύκλο μείωση του πληθυσμού του μικροοργανισμού). Από την απεικόνιση των τιμών αυτών σε λογαριθμική κλίμακα προκύπτει η καμπύλη θερμικής θανάτωσης. Η κλίση αυτής της καμπύλης ορίζει την τιμή Ζ η οποία ουσιαστικά μας δείχνει τη μεταβολή της θερμοκρασίας (αύξηση) που απαιτείται για το συγκεκριμένο μικροοργανισμό ώστε να υποδεκαπλασιαστεί ο χρόνος μείωσής του (δηλαδή η τιμή  D) κατά ένα λογάριθμο. Η τιμή Ζ είναι επίσης συγκεκριμένη για κάθε μικροοργανισμό.

 

Γράφημα 2:  z- value

Οι τιμές D & Z προσδιορίζονται πειραματικά και αφορούν όχι μόνο μικροοργανισμούς αλλά και συστατικά ή χαρακτηριστικά του τροφίμου που υπόκεινται στις επιδράσεις της θερμικής επεξεργασίας (πχ ένζυμα, θρεπτικά συστατικά, οργανοληπτικοί δείκτες κλπ.)
Με αυτή τη λογική καθορίζεται και ο καταλληλότερος συνδυασμός θερμοκρασίας – χρόνου για την επίτευξη της επιθυμητής θερμικής επεξεργασίας του κάθε είδους τροφίμου και του μικροοργανισμού στόχου.  Έτσι ο συνολικός χρόνος θερμικής επεξεργασίας που απαιτείται σε μια θερμοκρασία καθορίζει την τιμή αποστείρωσης F = m x D, όπου: m η επιθυμητή λογαριθμική μείωση ενός μικροοργανισμού (log αρχικού πληθυσμού – log τελικού πληθυσμού) και D ο χρόνος υποδεκαπλασιασμού του συγκεκριμένου μικροοργανισμού στη θερμοκρασία αναφοράς. Ειδικά στην περίπτωση της αποστείρωσης ο μικροοργανισμός στόχος που λαμβάνεται υπόψη για τον προσδιορισμό του κατάλληλου συνδυασμού θερμοκρασίας –χρόνου είναι το C.botulinum το οποίο είναι ιδιαίτερα θερμοάντοχο, σποριογόνο και τα σπόριά του μπορεί να εκβλαστήσουν σε αναερόβιες συνθήκες (συνθήκες κονσέρβας) και σε τρόφιμα με pH>4.6 και να προκαλέσουν τροφοδηλητηριάσεις που μπορεί να οδηγήσουν στο θάνατο. Με δεδομένα τα μέχρι τώρα επιστημονικά δεδομένα και την εμπειρία στην θερμική επεξεργασία κονσερβοποιημένων τροφίμων με τα δεδομένα χαρακτηριστικά (pH>4.6 ), έχει οριστεί διεθνώς πως η απαιτούμενη ελάχιστη επεξεργασία για να εξασφαλιστεί η ασφάλεια τους πρέπει να είναι κατ’ ελάχιστον 12D, δηλ., 12 x 0.2min= 2.4 minutes. Αυτή η τιμή είναι γνωστή ως F₀ (στρογγυλοποιείται στο F₀ =3), αφορά μικροοργανισμό με Ζ=10 και D_121^οC=0.2min και θεωρείται η ελάχιστη τιμή για μια ασφαλή αποστείρωση. Από αυτό συμπεραίνεται και εξασφαλίζεται πως αν ένα κονσερβοποιημένο τρόφιμο το οποίο μπορεί να περιέχει ένα σπόριο C.botulinum υποστεί θερμική επεξεργασία  στους 121 ^οC για 2.4 minutes  (=12×0.2) τότε ο πληθυσμός των σπορίων θα έχει μειωθεί κατά 1012 φορές ή αλλιώς η πιθανότητα να επιβιώσει ένα σπόριο θα είναι 1 στις 1012 κονσέρβες (δηλ. πάρα πολύ χαμηλή πιθανότητα) και επειδή θα ήταν και πολύ ‘τραυματισμένο’ θα μπορούσε εκβλαστήσει μόνο υπό πολύ ευνοϊκές συνθήκες οπότε πρακτικά θεωρείται ότι η απαίτηση της εμπορικής αποστείρωσης έχει επιτευχθεί. Συνήθως για λόγους ακόμη μεγαλύτερης εξασφάλισης και για να αποφευχθούν και άλλα φαινόμενα που συμβαίνουν κατά την επεξεργασία (πιθανότητα μεγαλύτερου αριθμού μικροοργανισμών, μεγαλύτερη θερμοανθεκτικότητά τους, τρόπος μετάδοσης θερμότητας, μεταβολές στη θερμική αγωγιμότητα του τροφίμου κλπ) συνήθως εφαρμόζεται ακόμη μεγαλύτερη θερμοκρασία ανάλογα βέβαια και με τη φύση του τροφίμου. Έτσι όταν λέμε ότι έχει γίνει θερμική επεξεργασία  F₀  = 6 εννοούμε ότι εφαρμόζεται θερμική επεξεργασία 6 λεπτών στους 121^οC.  

Ο υπολογισμός της απαιτούμενης θερμικής επεξεργασίας ενός τροφίμου απαιτεί τον υπολογισμό πολλών παραμέτρων τόσο του τροφίμου όσο και του τρόπου με τον οποίο γίνεται η θέρμανση και δεν αποτελεί αντικείμενο της συγκεκριμένης ανασκόπησης. Στο γενικό πλαίσιο της παρούσας περιγραφής πρέπει όμως να αναφερθεί ότι η θερμοκρασία για την αποτελεσματικότητα της θερμικής επεξεργασίας δεν φτάνει σε όλα τα σημεία και σε όλα τα σπόρια ή τα κύτταρα των μικροοργανισμών την ίδια στιγμή. Έτσι λοιπόν προκύπτει πως η απαιτούμενη θερμική επεξεργασία πρέπει να λάβει υπόψη και τον τρόπο με τον οποίο μεταδίδεται η θερμότητα από την πηγή θερμότητας προς το τρόφιμο αλλά και μέσα στο τρόφιμο (στο πιο απομακρυσμένο ή πιο δύσκολα προσβάσιμο σημείο του τροφίμου-ψυχρό σημείο). Αυτά είναι σε άμεση συνάρτηση με το μέσο μεταφοράς της θερμότητας αλλά και τις ιδιότητες του τροφίμου. Υπενθυμίζεται πως οι κύριοι τρόποι  μετάδοσης της θερμότητας είναι η αγωγή (μεταφορά από μόριο σε μόριο), η μεταφορά, η μεταφορά και αγωγή & η ακτινοβόληση καθώς και διάφοροι συνδυασμοί των παραπάνω. Τα συστατικά των τροφίμων που μπορεί να ασκούν προστατευτική δράση σε ορισμένους μικροοργανισμούς (πχ λιπαρές ύλες), ή να αλλάζουν μορφή ιδιότητες κατά τη θέρμανση (πχ ζελατινοποίηση αμύλου), το σχήμα και το μέγεθος του περιέκτη κλπ είναι κάποιες από τις παραμέτρους που πρέπει να λαμβάνονται υπόψη και προσδιορίζονται τόσο θεωρητικά σε κάποιο βαθμό αλλά κυρίως πειραματικά. Στον υπολογισμό της συνολικής θερμικής επεξεργασίας συνήθως υπολογίζεται ως ελάχιστη αυτή που λαμβάνει το τρόφιμο στο διάστημα που βρίσκεται στην προδιαγεγραμμένη θερμοκρασία. Στην πραγματικότητα όμως επίδραση (αθροιστική) έχει και το στάδιο της θέρμανσης μέχρι την επίτευξη της θερμοκρασίας αλλά και της μετέπειτα ψύξης.

Βάσει των παραπάνω και αναλόγως της έντασης της θερμικής επεξεργασίας διακρίνουμε:

– Την αποστείρωση κατά την οποία η ένταση της θερμικής επεξεργασίας είναι τέτοια ώστε να καταστρέφονται όλες οι μορφές των μικροοργανισμών. Η έννοια της αποστείρωσης στη μικροβιολογία (πλήρης καταστροφή οποιασδήποτε μορφής μικροοργανισμού) είναι διαφορετική από αυτή της πραγματικής κατάστασης που εφαρμόζεται στη συντήρηση τροφίμων, όπου χρησιμοποιείται κυρίως ο όρος εμπορική αποστείρωση και περιγράφει την κατάσταση κατά την οποία η εφαρμοζόμενη θερμική επεξεργασία καταστρέφει όλους  τους παθογόνους μικροοργανισμούς και τα σπόριά τους που θα μπορούσαν να εκβλαστήσουν και να δημιουργήσουν πρόβλημα στις μετέπειτα συνθήκες συντήρησης. Η αποστείρωση επιτυγχάνεται σε  συνθήκες θερμοκρασίας μεγαλύτερης των 100 οC και εφαρμόζεται σε τρόφιμα με pH>4.6.
– Την παστερίωση όπου αφορά στη θερμική επεξεργασία σε θερμοκρασίες όχι υψηλότερες των 100 οC και η οποία αποσκοπεί στην καταστροφή των βλαστικών μορφών των μικροοργανισμών. Η παστερίωση μπορεί να εφαρμόζεται συνδυαστικά και με μετέπειτα ψύξη  προς διατήρηση των προϊόντων.

Οι θερμικές επεξεργασίες συντήρησης τροφίμων είναι πολλές και μπορεί να αποτελούν φάσεις της όλης επεξεργασίας ενός τροφίμου προς επίτευξη του επιθυμητού αποτελέσματος. Από τις πιο γνωστές επεξεργασίες που περιλαμβάνουν θερμική επεξεργασία είναι η κονσερβοποίηση, η ασηπτική συσκευασία, η συσκευασία εν θερμώ (hot filling) και πιο σύγχρονες που επιτυγχάνονται με την επίδραση διαφόρων μέσων (μικροκύματα, διέλευση ρεύματος-ωμική θέρμανση κλπ).