1. Czym są procesy termiczne w przemyśle spożywczym?

Procesy termiczne w przetwórstwie rolno-spożywczym to zintegrowane operacje inżynierii procesowej wykorzystujące kontrolowany transfer energii cieplnej (ogrzewanie, przetrzymanie w wyznaczonej temperaturze oraz chłodzenie) w celu inaktywacji mikroorganizmów patogennych i psujących oraz denaturacji enzymów natywnych. Głównym zadaniem obróbki cieplnej jest zagwarantowanie bezpieczeństwa mikrobiologicznego, zatrzymanie procesów degradacji biochemicznej surowców oraz zapewnienie stabilności przechowalniczej wyrobu w zdefiniowanym łańcuchu dystrybucyjnym.

1.1. Transfer energii cieplnej a komercyjna sterylność

W ujęciu przemysłowym celem procesów termicznych nie jest całkowite wyjałowienie wsadu ze wszystkich istniejących struktur biologicznych, lecz osiągnięcie stanu komercyjnej sterylności (commercial sterility). Oznacza to stan, w którym pod wpływem zastosowanej dawki ciepła nastąpiło zniszczenie wegetatywnych form bakterii chorobotwórczych oraz taka redukcja populacji form przetrwalnikowych (spor), że nie są one zdolne do namnażania się w wyrobie w standardowych warunkach magazynowania i transportu bez chłodzenia (dla produktów trwałych) lub w warunkach chłodniczych (dla wyrobów pasteryzowanych).

1.2. Wpływ na jakość sensoryczną i wskaźnik C-value

Ekspozycja produktu na podwyższoną temperaturę prowadzi do równoległych przemian chemicznych i fizycznych, takich jak denaturacja białek, żelowanie skrobi, degradacja witamin (w szczególności kwasu askorbinowego i tiaminy) oraz zmiany barwy i profilu sensorycznego. Do ilościowej oceny degradacji składników odżywczych oraz zmian cech organoleptycznych stosuje się równoważnik kulinarny C-value (Cook Value):

Różnica w wartościach z dla inaktywacji mikroorganizmów (typowo z = 10°C) oraz dla degradacji cech jakościowych (z = 30–50°C) stanowi podstawę projektowania optymalnych procesów termicznych: podniesienie temperatury procesu przy jednoczesnym skróceniu czasu przetrzymania pozwala osiągnąć wymaganą letalność mikroflory przy jednoczesnym ograniczeniu strat jakościowych i obniżeniu całkowitego zużycia energii w zakładzie produkcyjnym.

2. Klasyfikacja procesów termicznego utrwalania: Pasteryzacja vs Sterylizacja

Dobór odpowiedniej technologii obróbki termicznej jest determinowany kwasowością czynną środowiska (wartość pH wyrobu), aktywnością wody (aw), składem surowcowym oraz planowanym rynkiem dystrybucji gotowego produktu (klimat umiarkowany vs klimat tropikalny).

2.1. Pasteryzacja (T < 100°C)

Pasteryzacja to proces termiczny prowadzony w temperaturach poniżej 100°C (najczęściej w zakresie od 65°C do 95°C). Proces ten dedykowany jest dla:

• Żywności kwasowej (pH ≤ 4,5): np. przetwory owocowe, napoje, soki, sosy kwaszone, gdzie niskie pH naturalnie hamuje kiełkowanie i wzrost ciepłoopornych przetrwalników Clostridium botulinum, a celem nadrzędnym staje się inaktywacja drożdży, pleśni, bakterii kwasu mlekowego oraz enzymów psujących.
• Żywności niskokwasowej (pH > 4,5) w łańcuchu chłodniczym: np. wyroby garmażeryjne, przetwory mięsne, produkty mleczarskie, gdzie zniszczeniu ulegają wegetatywne formy bakterii patogennych (Listeria monocytogenes, Salmonella spp.), a produkt wymaga bezwzględnego przechowywania w temperaturze od 2°C do 6°C.

2.2. Sterylizacja przemysłowa (T > 100°C)

Sterylizacja (wyjaławianie termiczne) jest prowadzona w nadciśnieniowych urządzeniach ciśnieniowych – autoklawach przemysłowych – w temperaturach od 115°C do 135°C (standardowo 121,1°C). Jest bezwzględnie wymagana dla żywności niskokwasowej (pH > 4,5, aw > 0,85), takiej jak konserwy mięsne, rybne, warzywne, dania gotowe w słoikach, puszkach i saszetkach retortowych, a także w segmencie karmy dla zwierząt domowych (pet food). Podstawowym kryterium bezpieczeństwa jest całkowita inaktywacja zarodników Clostridium botulinum (proces 12D).

2.3. Porównanie parametrów technologicznych

3. Matematyczne modelowanie letalności drobnoustrojów (F0, P0, D, z)

Śmiertelność drobnoustrojów pod wpływem ciepła wilgotnego zachodzi zgodnie z kinetyką reakcji pierwszego rzędu. Oznacza to, że w stałej temperaturze liczba żywych komórek lub spor maleje w postępie geometrycznym w jednostce czasu.

3.1. Czas redukcji dziesiętnej D i współczynnik z

• Wartość D (Decimal Reduction Time): Czas (wyrażany w minutach) wymagany do dziesięciokrotnej redukcji populacji wybranego drobnoustroju (o 1 cykl logarytmiczny, czyli o 90%) w ściśle określonej, stałej temperaturze procesu.
• Współczynnik z (z-value): Liczba stopni Celsjusza, o jaką należy zmienić temperaturę procesu, aby wywołać dziesięciokrotną zmianę wartości D (czyli zmianę wartości D o jeden cykl logarytmiczny). Dla przetrwalników Clostridium botulinum standardowo przyjmuje się z = 10,0°C.

3.2. Wartości sterylizacyjne F0 i pasteryzacyjne P0 (PU)

W celu przeliczenia całkowitego efektu bakteriobójczego zmiennego profilu temperaturowego (ogrzewanie, sterylizacja właściwa, schładzanie) stosuje się matematyczną integrację równania letalności w czasie:

Dla standardowej sterylizacji żywności niskokwasowej absolutnym minimum bezpieczeństwa jest uzyskanie F0 = 3,0 min (redukcja populacji spor C. botulinum o 12 rzędów wielkości, tzw. koncepcja 12D lub Botulinum Cook). W praktyce przemysłowej, aby zabezpieczyć wyrób przed przetrwalnikami bakterii psujących oraz uwzględnić wahania mikrobiologicznego obciążenia surowca (bioburden), procesy projektuje się na poziomie F0 wynoszącym od 4,0 do 12,0 minut.

W procesach pasteryzacji stosuje się analogiczne kalkulacje oparte na wartościach P0 (dla Tref = 70,0°C i z = 7,5°C) oraz PU (Jednostki Pasteryzacji, Pasteurisation Units, powszechnie stosowane w browarnictwie i przetwórstwie napojów, gdzie Tref = 60,0°C oraz z = 10,0°C).

3.3. Dane termooporności kluczowych mikroorganizmów

4. Walidacja procesów termicznych i kwalifikacja urządzeń ciśnieniowych

Zgodnie z międzynarodowymi standardami inżynieryjnymi (m.in. protokoły IFTPS, Campden BRI, wytyczne FDA 21 CFR Part 113) każdy proces termicznego utrwalania żywności w opakowaniach musi zostać zwalidowany w warunkach produkcyjnych. Walidacja procesowa składa się z dwóch powiązanych ze sobą etapów: kwalifikacji sprzętowej autoklawu oraz walidacji parametrów penetracji ciepła w produkcie.

4.1. Mapowanie dystrybucji temperatury i identyfikacja Cold Spot

Pomiary dystrybucji temperatury w autoklawach (parowych, natryskowych, kaskadowych, z pełnym zanurzeniem wodnym lub parowo-powietrznych) mają na celu weryfikację jednorodności pola temperaturowego w komorze załadowczej. Badanie to pozwala precyzyjnie określić:

• Czas odpowietrzania komory (venting time) w autoklawach parowych – całkowite usunięcie kieszeni powietrznych.
• Czas osiągania temperatury sterylizacji (come-up time – CUT).
• Lokalizację najwolniej nagrzewającej się strefy w urządzeniu (tzw. Cold Spot autoklawu), w której musi być umieszczany produkt podczas testów penetracji ciepła.

4.2. Testy penetracji ciepła i metodyka Worst Case

Badania penetracji ciepła realizuje się poprzez instalację miniaturowych rejestratorów temperatury lub sond termoparowych w geometrycznym centrum opakowania lub w termicznym punkcie najwolniejszego nagrzewania wyrobu (Cold Spot wewnątrz opakowania). W metodyce walidacyjnej bezwzględnie uwzględnia się scenariusz najgorszego przypadku (Worst Case Scenario):

• Najniższa dopuszczalna temperatura początkowa wsadu (Initial Temperature – IT).
• Maksymalne dopuszczalne napełnienie opakowania i najwyższa lepkość wsadu (konwekcja vs przewodzenie).
• Minimalna przestrzeń nadсоkowa (headspace) oraz najmniej korzystne ułożenie opakowań w koszach autoklawu.

"Im większa niestabilność temperaturowa w komorze autoklawu i większa różnica temperatur między najzimniejszym a najcieplejszym punktem wsadu, tym większe ryzyko niedostatecznej sterylizacji części partii lub drastycznego przegrzania produktu, prowadzącego do strat sensorycznych i nadmiarowych kosztów energii."

– Krzysztof Żarczyński, Senior Validation Engineer w BNT SIGMA

4.3. Nadciśnienie i kontrola integralności opakowań

W trakcie ogrzewania i chłodzenia wewnątrz zamkniętych hermetycznie opakowań (puszki aluminiowe i stalowe, słoje szklane z wieczkiem twist-off, tacki z folią barierową, saszetki pouch) dochodzi do gwałtownego wzrostu ciśnienia wewnętrznego, wynikającego z rozszerzalności termicznej produktu, rozprężania fazy gazowej oraz prężności par cieczy. Monitorowanie profilu różnicy ciśnień (Δp) między wnętrzem opakowania a komorą autoklawu zapobiega mikrorozszczelnieniom, deformacjom mechanicznym denek oraz zasysaniu wody chłodzącej do wnętrza wyrobu.

4.4. Kalibracja aparatury kontrolno-pomiarowej i testy biologiczne

Podstawą wiarygodności pomiarów procesowych jest spójność pomiarowa i regularna kalibracja czujników temperatury (RTD, termopar) oraz przetworników ciśnienia i manometrów zainstalowanych na autoklawach przemysłowych. Uzupełnieniem walidacji fizycznej jest walidacja mikrobiologiczna z użyciem standaryzowanych wskaźników biologicznych (spory Geobacillus stearothermophilus lub Bacillus atrophaeus o ściśle określonej liczebności i wartości D).

5. Specjalistyczne usługi inżynieryjne BNT SIGMA

Biuro Naukowo-Techniczne SIGMA realizuje kompleksowe usługi pomiarowe, walidacyjne i szkoleniowe dla zakładów przetwórstwa spożywczego, producentów dań gotowych, napojów oraz karmy dla zwierząt (pet food):

• Mapowanie temperatury w autoklawie – kwalifikacja instalacyjna i operacyjna autoklawów, wyznaczanie stref zimnych oraz ocena jednorodności medium grzewczego.
• Testy penetracji ciepła – precyzyjne obliczenia współczynników F0, P0, CUT w oparciu o wielokanałowe rejestratory bezprzewodowe i przewodowe.
• Pomiar różnicy ciśnienia między wnętrzem opakowania a komorą autoklawu – profilowanie przeciwciśnienia w celu eliminacji deformacji i rozszczelnień opakowań.
• Walidacja i kontrola procesu sterylizacji w autoklawie z wykorzystaniem testów biologicznych – mikrobiologiczna weryfikacja skuteczności letalnej procesu.
• Kalibracja czujników temperatury oraz kalibracja manometrów – wzorcowanie torów pomiarowych na obiektach przemysłowych.
• Szkolenie "Pasteryzacja i sterylizacja wyrobów w opakowaniu" – praktyczne warsztaty techniczne dla technologów, inżynierów procesu oraz audytorów jakości.

6. FAQ – Najczęściej zadawane pytania techniczne

Na czym polega obróbka termiczna?

Obróbka termiczna polega na precyzyjnym doprowadzeniu energii cieplnej do produktu w określonym czasie, mającym na celu inaktywację drobnoustrojów chorobotwórczych i enzymów oraz nadanie wyrobowi stabilności mikrobiologicznej i pożądanych cech organoleptycznych.

W jakiej temperaturze odbywa się sterylizacja?

Sterylizacja przemysłowa w autoklawach prowadzona jest w temperaturach powyżej 100°C, najczęściej w przedziale od 115°C do 135°C. Standardową temperaturą odniesienia przy kalkulacji wartości sterylizacyjnej F0 jest 121,1°C (250°F).

Jakie są 3 rodzaje pasteryzacji?

W technologii żywności wyróżnia się pasteryzację niską (długotrwałą, np. 63–65°C przez ok. 30 minut), pasteryzację momentalną/średnią (krótkotrwałą, np. 72–75°C przez 15–20 sekund) oraz pasteryzację wysoką (np. 85–95°C przez kilka sekund do kilkunastu minut), dobierane w zależności od podatności surowca i wymaganego parametru P0.

Jakie są procesy endotermiczne?

Procesy endotermiczne to przemiany fizykochemiczne wymagające ciągłego pochłaniania ciepła z otoczenia (np. denaturacja termiczna białek, żelowanie skrobi, odparowanie wody). W kontekście inżynierii przetwórstwa spożywczego pobieranie ciepła przez wsad bilansuje się podczas kalkulacji wymiany ciepła w autoklawie.

AUTOR WPISU

Krzysztof Żarczyński
Senior Validation Engineer, Biuro Naukowo-Techniczne SIGMA

Pracował jako specjalista ds. walidacji w Zakładach Farmaceutycznych Polpharma w Starogardzie Gdańskim, koordynator ds. zmian w Dziale Transferów Produktów i Technologii w GlaxoSmithKline Pharmaceuticals w Poznaniu, Quality Manager w ADM Szamotuły. Odpowiedzialny za walidację urządzeń i instalacji oraz system zarządzania jakością w Centrum R&D Unilever w Poznaniu. Obecnie pomiarowiec, konsultant i trener w BNT SIGMA. Odpowiedzialny za kwalifikacje pomieszczeń czystych, pomiary czystości sprężonego powietrza, pomiary procesów termicznych (pasteryzacja i sterylizacja żywności). Członek Komitetu Technicznego nr 161 ds. Jakości Powietrza Wnętrz, Komitetu Technicznego nr 317 ds. Klimatyzacji i Wentylacji, Komitetu Technicznego nr 15 ds. Maszyn i Urządzeń dla Przemysłu Spożywczego oraz Komitetu Technicznego nr 295 ds. Sterylizacji w Polskim Komitecie Normalizacyjnym.

Kontakt:
Email: info@bnt-sigma.pl
Kom: +48 530 30 90 30