Концепция барьера

В ХХ веке при описании методов консервирования продуктов питания использовали общие выражения, такие, как тепловая обработка, сушка, посол, подкисление, ферментация и т.д. Когда стали известны принципы, лежащие в основе этих процедур, т.е. метод количественного выражения тепловой обработки F-величинами, подкисления – pH и титруемой кислотностью и т.д., появилась возможность выражать технологические методы консервирования величинами F, a_w, pH, Eh и т.д. Затем проделали большую работу по определению лимитов роста, выживаемости и смертности основных микроорганизмов в связи с указанными характеристиками (приложение 1); полученные данные стали основой для многих усовершенствований в технических методах консервирования продуктов питания. Но выяснилось, что для микробиологической стабильности и безопасности большинства продуктов питания решающим является не какой-то один консервирующий фактор, а комбинация консервирующих факторов. Например, было указано, что умеренное снижение активности воды в сочетании с другими процессами или факторами умеренной интенсивности можно применять при производстве микробиологически безопасных продуктов питания, не прибегая к чрезмерному снижению активности воды, что было бы необходимо при использовании только этого консервирующего фактора (Loncin, 1976). Консервирующие факторы назвали барьерами (Leistner и Rödel, 1976), ввели понятие эффекта барьера (Leistner, 1978) и повсеместно дали ему объяснение: эффект барьера – это картина сложных взаимодействий нескольких подавляющих факторов, действующих в продуктах питания. На первых взгляд это определение позволяет использовать слово “барьер” для обозначения последовательного влияния. Но на самом деле оно включает в себя более полное понятие, в которое вошли комбинации технических методов с широким спектром возможного воздействия, в том числе последовательных, но гораздо больше факторов оказывает совместное влияние; к ним относятся внутренние, внешние, производственные и подразумеваемые факторы, действующие в конкретном продукте питания. Из понимания влияния барьера выросла барьерная технология (Leistner, 1985), цель которой – не просто понимание причин стабильности и безопасности конкретного продукта питания, но и улучшение его микробиологического качества путём оптимизации и умелой модификации имеющихся барьеров. Дополнительный шаг – разработка не только микробиологически безопасных и стабильных продуктов питания, но и сосредоточение внимания на сенсорном качестве и питательной ценности, то есть на общем качестве продуктов питания (Leistner, 1994b).

Влияние барьера

Влияние барьера очень важно для консервирования продуктов питания, поскольку оно контролирует порчу, развивающуюся в стабильном продукте питания и вызванную микроорганизмами, и гарантирует безопасность с учётом возможности пищевого отравления, а также содействует желательной ферментации продуктов питания (Leistner и др., 1981). Leistner с соавторами признали, что концепция барьеров лишь иллюстрирует хорошо известный факт, что комплексные взаимодействия a_w, pH, консервантов и т.д. важны для стабильности и безопасности продуктов питания, но исходили из точки зрения, согласно которой данная концепция является наглядной иллюстрацией и важна как для специалистов, так и для неспециалистов. Каждому стабильному и безопасному продукту питания присущ определённый набор барьеров, которые отличаются друг от друга определенными качествами и интенсивностью воздействия, которые в свою очередь зависят от специфики продукта питания. В любом случае барьеры должны контролировать количественный состав “обычных” микроорганизмов, присутствующих в каждом продукте питания. Эффективное управление эффектом барьера требует, чтобы микроорганизмы, присутствующие (изначально) в продукте питания, не преодолели барьер, в противном случае продукт питания испортится. Эта ситуация иллюстрирует так называемый эффект барьера, понятие которого впервые ввёл Leistner (1978). На рис. 7 приведён ряд примеров (Leistner, 1978a, 1992, 1994b), которые помогли понять эффект барьера (они также отражены во многих публикациях).

На рис. 7 показаны девять примеров эффекта барьера. Пример №1 – продукт питания, стабильность которого зависит от шести барьеров. Это высокая температура во время технологической обработки (F), хранение при низкой температуре (t), активность воды (a_w), кислотность (pH), окислительно-восстановительный потенциал (Eh), а также консерванты (pres.). Микроорганизмы, присутствующие в продукте питания, не могут преодолеть барьер, и поэтому продукт питания стабилен и безопасен. Но пример №1 чисто теоретический, т.к. все барьеры одинаковой высоты, то есть одинаковой интенсивности, одинаково улучшают стабильность продукта питания, а такая ситуация встречается редко. Более реален пример №2, так как микробиологическая стабильность этого продукта питания основана на применении барьеров разной интенсивности. В этом продукте основные барьеры – a_w и консерванты, а другие, менее значимые, – температура хранения, уровень pH и окислительно-восстановительный потенциал. Наличия этих пяти барьеров достаточно для инактивации или подавления обычных типов микроорганизмов, присутствующих в таком продукте питания в обычном количестве. Если в начале технологической обработки в продукте питания присутствует лишь небольшое количество микроорганизмов (пример №3), то нескольких или умеренно интенсивных барьеров достаточно для обеспечения микробиологической стабильности продукта питания.

Рисунок 63.Иллюстрация эффекта барьера с девятью примерами

Условные обозначения: F – тепловая обработка, a_w – активность воды, pH – кислотность, Eh – окислительно-восстановительный потенциал, pres. – консерванты, V – витамины; N – питательные вещества, c.f. – конкурирующая микрофлора. (Источник: L. Leistner, Эффект барьера и энергосбережение, в книге Качество и питательная ценность пищевых продуктов, W. K. Downey, издатель, с. 556. © 1987. Applied Science Publishers, Ltd. и L. Leistner, Консервирование продуктов питания с применением комбинированных методов, в журнале Food Research International, 25. с. 151–158. © 1992. Canadian Institute of Food Science and Technology).

Упаковывание продуктов питания в сверхчистых или асептических условиях, сводящее к минимуму повторное заражение, основано на этом принципе. То же самое справедливо, если исходная микробиологическая нагрузка на продукт питания (например, на фрукты с высоким содержанием влаги или мясо в тушах) существенно снижается (например, после обработки паром), поскольку после такого обеззараживания в продукте питания с самого начала остаётся меньше микроорганизмов, и их легче подавить. С другой стороны, как в примере №4, если из-за антисанитарных условий в продукте питания изначально присутствует слишком много нежелательных микроорганизмов, даже обычные барьеры, характерные для данного продукта питания, не смогут предотвратить развитие порчи или размножение микроорганизмов, отравляющих продукты питания. Пример №5 – продукт питания, богатый питательными веществами (N) и витаминами (V), способствующий росту микроорганизмов, способных, поэтому, преодолевать барьеры, которые в противном случае подавили бы их рост (данный эффект называется эффектом толчка или трамплина), и, следовательно, интенсивность барьеров в таком продукте питания необходимо увеличивать, гарантируя стабильность. Пример №6 показывает поведение микроорганизмов, присутствующих в продукте питания и подвергнутых сублетальному поражению. Если, скажем, споры микроорганизмов, присутствующие в продукте питания, подвергнутся сублетальному поражению под воздействием высокой температуры, то затем выросшие из них зародышевые или вегетативные клетки будут нежизнеспособны. Или, если вегетативные клетки подвергнутся сублетальному воздействию высокой температуры, они станут более чувствительны, например, к консервантам. Природа данного вида воздействия такова, что микроорганизмы утрачивают способность преодолевать влияние стрессов, и, таким образом, их можно подавить меньшим количеством барьеров или барьерами меньшей интенсивности.

Некоторые барьеры могут изменяться во время хранения продуктов питания. С одной стороны, если продукт питания станет более сухим во время хранения, интенсивность барьера a_w повысится, что, следовательно, улучшит микробиологическую стабильность продукта питания. С другой стороны, в баночных мясных солёностях интенсивность консервирующих факторов может с течением времени снижаться, (пример №7), поскольку после расщепления нитрита споры, находящиеся в состоянии покоя, могут начать размножаться и вызывать порчу или повышать риск отравления, вызванного продуктами питания. В некоторых продуктах питания стабильность во время технологической обработки достигается путём последовательного применения барьеров, играющих важную роль на разных стадиях, особенно в процессе ферментации или созревания, в зависимости от времени, что приводит к получению стабильного конченого продукта. Пример №8 иллюстрирует такое последовательное воздействие барьеров в ферментированных колбасах (обсуждается в главе 8). И, наконец, пример №9 демонстрирует возможное взаимно усиливающееся воздействие барьеров в продуктах питания. В течение некоторого времени (Leistner, 1978) предполагали, что разные барьеры могут взаимно усиливать воздействие друг друга. Hammer и Wirth (1984) сообщили, что ряд добавок, снижающих a_w в мясопродуктах, не усиливает влияние друг друга, а оказывает лишь дополнительное воздействие. Причина этого открытия заключалась, вероятно, в том, что механизм действия всех используемых добавок состоят в снижении активности воды, и, поэтому, искомая цель в клетках микроорганизмов одинакова. С другой стороны, следует ожидать взаимно усиливающегося воздействия, если разные барьеры (например, a_w, pH, Eh, консерванты) поражают разные искомые цели в клетках микроорганизмов, и, таким образом, подрывают гомеостаз с нескольких сторон. Поэтому использование барьеров с разным механизмом действия должно обеспечивать определённые преимущества, так как уже при применении барьеров умеренной интенсивности можно получить микробиологически стабильный продукт питания. С практической точки зрения это может означать, что, вероятно, более эффективным будет использование разных барьеров малой интенсивности в одном и том же продукте питания, а не применение одного консерванта большей интенсивности, поскольку у разных консервантов могут быть разные цели в клетках микроорганизмов, (например, разрушение клеточной мембраны, повреждение репликации ДНК, ферментных систем, особенно чувствительных к pH, a_w, Eh и т.д.), и, поэтому, усиливать воздействие друг друга (Leistner, 1994b).

Следовательно, барьерная технология должна не приводить к внесению большого количества добавок, а уменьшать его, даже если ассортимент вносимых добавок может возрасти обеспечивая тем самым взаимно усиливающееся воздействие в результате многоцелевого консервирования.

Барьерная технология

Более глубокое понимание возникновения и взаимодействия различных консервирующих факторов (барьеров) в продуктах питания может создать мощную и логичную основу для усовершенствования методов консервирования продуктов питания. Если бы были известны все барьеры, действующие в конкретном продукте питания, микробиологическую стабильность и безопасность данного продукта питания можно было бы оптимизировать, изменяя интенсивность или характер имеющихся барьеров (Leistner, 1999a).

Из более глубокого понимания эффекта барьера выросла барьерная технология (Leistner, 1985a), означающая целенаправленное использование комбинаций барьеров при консервировании традиционных и новых продуктов питания. Применяя хорошо подобранные комбинации барьеров, можно улучшить не только микробиологическую стабильность и безопасность, но и сенсорное качество, питательную ценность, а также экономические аспекты производства продуктов питания.

Барьерную технологию всё шире используют при разработке продуктов питания в промышленно развитых и развивающихся странах с целью оптимизации традиционных и производства новых продуктов питания в соответствии с возникающими потребностями. Например, если цель заключается в экономии энергии, то энергоёмкие барьеры, такие, как охлаждение и замораживание, заменяют другими (например, a_w, pH и Eh), не требующими затрат энергии, но одновременно гарантирующими получение стабильного и безопасного продукта питания (Leistner, 1978). Более того, при желании заменить консерванты, такие, как нитрит, используемый при производстве мясопродуктов, можно повысить интенсивность других барьеров в продукте питания (например, a_w, pH, охлаждения или конкурирующей микрофлоры), что будет способствовать стабилизации продукта питания (Leistner, 1980), в силу того, что барьеры, обеспечивающие микробиологическую стабильность продуктов питания, до некоторой степени взаимозаменяемы.

Микробиологическая стабильность и безопасность, а также сенсорное качество и пищевая ценность большинства консервированных продуктов питания основаны на использовании ряда консервирующих факторов в соответствии с накопленным опытом, и, с недавнего времени, на квалифицированном применении барьерной технологии. Целенаправленное и квалифицированное использование барьерной технологии обеспечивает эффективное, но обладающее умеренной интенсивностью консервирование продуктов питания и распространяется по всему миру. Концепция барьерной технологии оказалась успешной, поскольку квалифицированное использование комбинаций барьеров гарантирует надлежащую микробиологическую безопасность и стабильность, а также сенсорное качество и питательную ценность продуктов питания (Leistner, 1992, 1995a, 1996).