ΘΕΡΜΙΚΕΣ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΕΣ ΤΡΟΦΙΜΩΝ. 4o Εργαστηριο ΚΙΝΗΤΙΚΗ ΤΩΝ ΑΝΤΙΔΡΑΣΕΩΝ Ορισμοί D, z

Transcript

1 ΘΕΡΜΙΚΕΣ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΕΣ ΤΡΟΦΙΜΩΝ 4o Εργαστηριο ΚΙΝΗΤΙΚΗ ΤΩΝ ΑΝΤΙΔΡΑΣΕΩΝ Ορισμοί D, z

2 Κινητική αντιδράσεων στα τρόφιμα Θερμική καταστροφή Μικροοργανισμών Θρεπτικών συστατικών Χαρακτηριστικών ποιότητας (υφή, χρώμα, οσμή) Ενζύμων Λογαριθμικής τάξης αδρανοποίηση ή καταστροφή

3 Κινητική αδρανοποίησης μικροβίων Διαφορική εξίσωση -dc/dt = k c dc/dt η ταχύτητα μείωσης της συγκέντρωσης c η συγκέντρωση του επιζώντος μικροοργανισμού k η σταθερά της αντίδρασης

4 Κινητική αδρανοποίησης μικροβίων Επίλυση Διαφορικής εξίσωσης με ολοκληρώματα μεταξύ C 1 και t 1 = 0 sec C και t - dc/dt = k c και λογαριθμίζοντας -lnc + lnc 1 = k (t-t 1 ) ή logc =logc 1 k t/2,303

5 Κινητική αδρανοποίησης μικροβίων 1 ης Τάξης καταστροφή μικροοργανισμών Αριθμός επιζώντων μ.ο. ανά μονάδα όγκου Κλίση = k /2,303 Για σταθερή θ/σία = 250 o F (121 o C) logc =logc 1 (k t)/2,303

6 Κινητική αδρανοποίησης μικροβίων Δεκαδικός χρόνος θανάτου, D (decimal reduction time) O χρόνος που απαιτείται για να μειωθεί ο πληθυσμός των μικροοργανισμών κατά ένα λογαριθμικό κύκλο αντιστοιχεί σε θανάτωση 90%. Δηλ, c/c 1 = 1/10 και t = D

7 Κινητική αδρανοποίησης μικροβίων logc =logc 1 k t/2,303 logc-loc 1 = k t/2,303 log c/c1 = k t/2,303 log 1/10 = -k D/2,303-1 = -k D/2,303 D = 2,303/k

8 Παράδειγμα Για παράδειγμα, ένας υποθετικός οργανισμός μειώνεται κατά 90% μετά από έκθεση σε θερμοκρασίες 300F για 2 λεπτά. Έτσι, η τιμή D θα γράφονταν ως D 300F = 2 min.

9 Εξάρτηση των κινητικών από τη θερμοκρασία Η περιγραφή της εξάρτησης της σταθεράς της ταχύτητας μπορεί να γίνει μέσω : 1. εξίσωσης Arrhenius 2. καμπυλών χρόνου θερμικού θανάτου

10 Εξάρτηση των κινητικών από τη θερμοκρασία k = s e Ea/RT Εξίσωση Arrhenius k, η σταθερά της ταχύτητας αντίδρασης (min -1 ) S, σταθερά, παράγοντας συχνότητα (min -1 ) Ε a, η ενέργεια ενεργοποιήσεως (cal/mole) R, η παγκόσμια σταθερά των αερίων(1,987 cal/ K mole) Τ, η απόλυτη θερμοκρασία (Κ)

11 Εξάρτηση των κινητικών από τη θερμοκρασία Ε a, η ενέργεια ενεργοποιήσεως (cal/mole) Είναι η απαιτούμενη ενέργεια για τη μετάβαση των μορίων σε μια διηγηρμένη κατάσταση lnk = -E a /RT + lns To lns μπορεί να υπολογιστεί υποθέτωντας ότι το k είναι το k 1 σε θ/σία Τ 1 (τυχαία θ/σία) lns = lnk 1 + E a /RT 1

12 Εξάρτηση των κινητικών από τη θερμοκρασία lnk = -E a /RT + lns, όπου lns = lnk 1 + E a /RT 1 lnk = -E a /RT + lnk 1 + E a /RT 1 lnk - lnk 1 = -E a /RT + E a /RT 1 lnk - lnk 1 = (-E a /R) (1/T -1/T 1 ) logk - logk 1 = (-2,303E a /R) (1/T -1/T 1 ) logk - logk 1 = (-2,303E a /R) [(T 1 -T)/T 1 T]

13 Εξάρτηση των κινητικών από τη θερμοκρασία logk - logk 1 = (-2,303E a /R) [(T 1 -T)/T 1 T] logk/k 1 = (-2,303E a /R) [(T 1 -T)/T 1 T] k /k 1 = 10 ^ (-2,303E a /R) [(T 1 -T)/T 1 T] k/k 1 =

14 Εξάρτηση των κινητικών από τη θερμοκρασία Χρησιμοποιώντας την έκφραση Arrhenius βρίσκουμε την επίδραση της θ/σίας στην ειδική ταχύτητα της αντίδρασης k t = k t0 10 ^(E a /2,303) [(T a -T)/ T a T] Εa η ενέργεια ενεργοποιήσεως (J/mole) R, η παγκόσμια σταθερά αερίων (8,314 J/mol o K) Ta, η θερμοκρασία αναφοράς ( o K) Τ, τυχαία θερμοκρασία ( o K)

15 Μέθοδος θερμικού θανάτου Αναπτύχθηκε από τον Bigelow: o χρόνος θερμικού θανάτου (= ο ελάχιστος χρόνος πλήρους καταστροφής) προς τη θ/σία σε o F δίνει μια ευθεία γραμμή Οι καμπύλες Χρόνου Θερμικού Θανάτου εκφράζουν τη σχετική αντίσταση των μ.ο. στις διάφορες θερμοκρασίες Άξονα χ θ/σία σε o F Άξονα ψ το λογάριθμο D ή κάποιο πολλαπλάσιο

16 Μέθοδος θερμικού θανάτου Kαμπύλη θερμικού θανάτου του Clostridium botulinum

17 Χρόνος θερμικού Θανάτου (Thermal Death Time, TDT) Είναι ο χρόνος που απαιτειται για να σκοτώσει ένα συγκεκριμμένο αριθμό μ.ο. Σε συγκεκριμένη θερμοκρασία. Μπορούμε να τον βρούμε αν διατηρούμε τη θ/σία σταθερή και μετρήσουμε τον αριθμό των συγκεκριμένων κυττάρων.

18 Μέθοδος θερμικού θανάτου Z=-1/κλίση D Kαμπύλη θερμικού θανάτου του Clostridium botulinum

19 Τιμή z Τιμή σε θερμοκρασία για την οποία υπάρχει μεταβολή κατά 10 φορές (δεκαπλασιασμός ή υποδεκαπλασιασμός) του D Z = (T 2 -T 1 )/(logd 1 -logd 2 ) ή D = D a 10 ^( Θ α -Θ)/z Όπου Θα η θ/σία αναφοράς

20 Παράδειγμα Αν η Da είναι 1,5 min στους θα=90 ο C και το z =10 ο C τότε σε μια άλλη θ/σία θ= =100 ο C το D θα είναι 10 υποπολλαπλάσιο δήλ 1,5/10 =0,15 min Επίσης σε μιά άλλη θ/σία θ=θα-z= =80 ο C, o χρόνος D θα δεκαπλασιαστεί: D =10 1,5=15 min

21 Αποκλίσεις θερμικής καταστροφής H αρχική αύξηση του πληθυσμού οφείλεται σε ενεργοποίηση των σπορίων λόγω της αύξησης της θερμοκρασίας κατά τα αρχικά στάδια της αποστείρωσης

22 Αποκλίσεις θερμικής καταστροφής Η αρχική στατική περίοδος οφείλεται στο ότι κατά την αποστείρωση ο αριθμός των σπορίων που θανατώνονται είναι ίσος με τον αριθμό των σπορίων που ενεργοποιούνται

23 Αποκλίσεις θερμικής καταστροφής Αρχικά ο πληθυσμός μειώνεται με μικρότερο ρυθμό λόγω της ταυτόχρονης ενεργοποίησης σπορίων (αλλά είναι λιγότερα σε αριθμό από αυτά που θανατώνονται)

24 Αποκλίσεις θερμικής καταστροφής Ύπαρξη μικτού πληθυσμού που περιέχει σε υψηλό ποσοστό έναν πολύ ευαίσθητο μικροοργανισμό

25 Αποκλίσεις θερμικής καταστροφής Ύπαρξη μικτού πληθυσμού που περιέχει σε υψηλό ποσοστό έναν σχετικά ανθεκτικό μικροοργανισμό

26 Συσχέτιση χρόνου θερμικού θανάτου με τη θερμοκρασία

27

28

29 EXAMPLE 6.6. Pasteurisation of milk A pasteurization heating process for milk was found, taking measurements and times, to consist essentially of three heating stages being 2 min at 64 C, 3 min at 65 C and 2 min at 66 C. Does this process meet the standard pasteurization requirements for the milk, as indicated in Fig. 6.7, and if not what adjustment needs to be made to the period of holding at 66 C? From Fig. 6.7, pasteurization times t T can be read off the UK pasteurisation standard, and from and these and the given times, rates and fractional extents of pasteurization can be calculated: At 64 C, t 64 = 15.7 min so 2 min is 2 = At 65 C, t 65 = 9.2 min so 3 min is 3 = At 66 C, t 66 = 5.4 min so 2 min is 2 = Total pasteurization extent = ( ) = Pasteurization remaining to be accomplished = (1-0.83) = At 66 C this would be obtained from (0.17 x 5.4) min holding = 0.92 min. So an additional 0.92 min (or approximately 1 min) at 66 C would be needed to meet the specification.

30 A working example of how to use D and Z values in pasteurization calculations: Pooled raw milk at the processing plant has bacterial population of 4x10exp5/mL. It is to be processed at 79 C for 21 seconds. The average D value at 65 C for the mixed population is 7 min. The Z value is 7 C. How many organisms will be left after pasteurization? What time would be required at 65 C to accomplish the same degree of lethality? Answer: At 79 C, the D value has been reduced by two log cycles from that at 65 C since the Z value is 7 C. Hence it is now 0.07 min. The milk is processed for 21/60=0.35 min, so that would accomplish 5 log cycle reductions to 4 organisms/ml. At 65 C, you would need 35 minutes to accomplish a 5D reduction.

31 It is often more convenient to use the D-value as a measure of rate of microbial inactivation. The D-value is the exposure time required for the number of survivors to change by a factor of 10 or the time required to achieve a decrease of one log cycle in the survivor curve [in other words the temperature or radiation dosed required to reduced the initial population by 90%. The D-value may be estimated graphically see graph or mathematically from the equation The D-value and K are specific for each set of microorganisms and each sterilization process. Thus with data for heat inactivation of microbes the temp is shown D121. For radiation inactivation the d-value is stated in the terms absorbed dose (kgy). D-value is the time required to kill 90% of the spores or vegetative cells of a given microorganism at a specific temperature in a specific medium. D-values can be determined from survivor curves when the log of population is platted against time (Figure TD-1 for a microorganism having a D 185 = 1.0 minutes), or by the formula: D reference temperature = Time/(Log a -Log b ) Where a = the initial population, and b = the survivors after a time interval

32 Παράδειγμα: τιμές D και Ζ σε υπολογισμούς παστερίωσης: Νωπό γάλα σε μονάδα επεξεργασίας έχει βακτηριακό πληθυσμό 4x10exp5 / ml. Πρέπει να υποβληθεί σε επεξεργασία σε 79 C για 21 δευτερόλεπτα. Η μέση τιμή D στους 65 C για τον μεικτό πληθυσμό είναι 7 λεπτά. Η τιμή Ζ είναι 7 C. Πόσοι οργανισμοί θα μείνουν μετά την παστερίωση; Πόση ώρα θα απαιτείται στους 65 C για να επιτευχθεί ο ίδιος βαθμός θνησιμότητας;

33 Παράδειγμα: τιμές D και Ζ σε υπολογισμούς παστερίωσης: D = D a 10 ^( Θ α -Θ)/z Απάντηση: Στους 79 C, η τιμή του D έχει μειωθεί κατά δύο λογαριθμικούς κύκλους από ότι στους 65 C αφού η τιμή Ζ είναι 7 C. Ως εκ τούτου, είναι τώρα 0,07 min. Το γάλα μεταποιείται για 21/60 = 0,35 λεπτά, έτσι ώστε να επιτευχθεί μείωση του κύκλου 5 log έως 4 οργανισμούς / ml. Στους 65 C, θα πρέπει 35 λεπτά για να επιτευχθεί μία μείωση 5D.

34 The 12-D Process Canned foods are susceptible to the spores of the organism Clostridium botulinum. This is the organism that causes botulism. These bacterial spores can survive many heat treatment processes. However, in modern food production, canned foods are subjected to a time/temperature process that will reduce the probability of the survival by the most heat-resistant C. botulinum spores by 12 logs or 12-D at 250 (the temperature used in the calculation of most commercial 12-D processes is 250, and the D-value for this organism at 250 is 0.21 minutes). This process is based on the assumption of the number of surviving spores in one can. If we assume that there are 10 surviving spores in one can, then we can calculate the time for a 12-D process to occur by using the following formula: F 0 = D 250 (log a - log b), where a = initial population and b = final population. So F 0 = (0.21min.)(log log ), we move down 12 log values (1 - (-11)) = 12 So, F 0 = (0.21min.)(1 - (-11)), or 0.21 x 12 = 2.52 minutes. Simply put, (D-value at 250 ) x (12) results in a 12-D process.

35 F-value The F value for a process is the number of minutes required to kill a known population of microorganisms in a given food under specified conditions. This F value is usually set at 12 D values to give a theoretical 12 log cycle reduction of the most heat-resistant species of mesophilic spores in a can of food. For example, if there were 10,000 spores of a species of spore in a can of food and a 12 D process was given, the initial 10,000 spores (10 4 spores) would be reduced to a theoretical 10-8 living spores per can, or again in theory, one living spore per 10 8 cans of product (one spore per one hundred million cans). To refer back to the original example where the D 240 was 1 min., the F value for the process would be 12 min. or F 240 = 12 min. When F is used without a subscript indicating temperature, 250 is assumed. When the symbol F is used, a z value of 18 is assumed with an exposure temperature of 250. The actual processing time a can of food is given in a retort is always greater than the F value due to heat penetration requirements. Industry makes extensive use of F values in maintaining processes and in developing new schedules. Optimally the old and new processes are equated to acceptable F values. Two different processes are considered equivalent when the processes are equally effective with respect to destruction of a given microorganism.

36 F-value The F value for a process is the number of minutes required to kill a known population of microorganisms in a given food under specified conditions. This F value is usually set at 12 D values to give a theoretical 12 log cycle reduction of the most heat-resistant species of mesophilic spores in a can of food. For example, if there were 10,000 spores of a species of spore in a can of food and a 12 D process was given, the initial 10,000 spores (10 4 spores) would be reduced to a theoretical 10-8 living spores per can, or again in theory, one living spore per 10 8 cans of product (one spore per one hundred million cans). To refer back to the original example where the D 240 was 1 min., the F value for the process would be 12 min. or F 240 = 12 min. When F is used without a subscript indicating temperature, 250 is assumed. When the symbol F is used, a z value of 18 is assumed with an exposure temperature of 250. The actual processing time a can of food is given in a retort is always greater than the F value due to heat penetration requirements. Industry makes extensive use of F values in maintaining processes and in developing new schedules. Optimally the old and new processes are equated to acceptable F values. Two different processes are considered equivalent when the processes are equally effective with respect to destruction of a given microorganism.

37 The Z-value. The Z-value is the increase or decrease in temperature required to reduce or increase the decimal reduction time by one decimal. It is a measure of the change in death rate with a change in temperature. The number of degrees Fahrenheit or Centigrade required for a thermal death time curve to traverse 1 log cycle. This is the temperature increase required to reduce the thermal death time by a factor of 10. The z-value gives an indication of the relative impact of different temperatures on a microorganism, with smaller values indicating greater sensitivity to increasing heat. The z-value is obtained by plotting the logarithms of at least 2 D-values against temperature or by the formula: Z = (T 2 -T 1 )/(logd 1 -logd 2 ) Where T = temperature and D = D-value