Studi di validazione termica di conserve alimentari in contenitori metallici. Penetrazione del calore

Come abbiamo accennato nella precedente pubblicazione, gli studi di validazione termica condotti negli impianti di inscatolamento sono obbligatori e richiesti negli audit esterni condotti da alcuni accreditamenti che promuovono la sicurezza alimentare, come BRC, IFS, HSEQ, FSSC 22000, ecc. e sono anche richiesti dalle autorità internazionali di controllo sanitario, tra cui la Food and Drug Administration (FDA), l’Autorità europea per la sicurezza alimentare (EFSA), l’UE, il Regno Unito, il DIPOA, il SENASA e altri.

Questi studi fanno parte del processo di verifica del piano HACCP implementato negli impianti di inscatolamento e garantiscono che le conserve pastorizzate o sterilizzate, in particolare quelle a bassa acidità (LACF), come carne, pesce, frutti di mare, asparagi, piselli, fagioli, mais, fichi, latte e altri, con un pH finale stabilizzato superiore a 4, siano in grado di garantire un’alimentazione sana.5, hanno completato in modo soddisfacente la loro sterilità commerciale e non vi è alcun rischio di presenza di Clostridium botulinum negli alimenti, poiché questo microrganismo è il produttore della tossina botulinica che può causare la morte del consumatore.

Gli studi di convalida termica devono essere eseguiti da un’autorità per i processi termici (TP), ovvero una persona o un’organizzazione con una conoscenza approfondita dei requisiti o delle richieste per il trattamento termico dei prodotti alimentari in scatola che devono essere completamente sicuri per il consumatore, oltre a disporre delle attrezzature e delle competenze necessarie per eseguire tali determinazioni di processo.

Esistono due studi principali: lo studio della distribuzione del calore, che viene effettuato sulle apparecchiature di riscaldamento o sulle sterilizzatrici, che abbiamo sviluppato nella precedente pubblicazione del marzo 2022, e lo studio della penetrazione del calore, che viene effettuato direttamente sugli alimenti, che si trovano all’interno di contenitori metallici ermeticamente chiusi, di cui parleremo di seguito.

1. LO STUDIO SULLA PENETRAZIONE DEL CALORE

Si tratta di un metodo scientifico per determinare i livelli di sterilità commerciale o Fo che si raggiungono

in una conserva alimentare durante il trattamento termico previsto. Questo studio è specifico per ogni dimensione della lattina, in base al pH finale stabilizzato dell’alimento e progettato per distruggere un particolare microrganismo che può crescere in quell’ambiente causando una malattia di origine alimentare (FBD), che infetta, intossica o peggio può portare alla morte del consumatore, con gravi conseguenze per la salute pubblica.

Tra le EST più comuni vi sono il botulismo, la gastroenterite, la listeriosi causata da Listeria monocytogenes, la salmonellosi causata da Salmonella Sp, il colera, l’epatite, ecc. Considerando che il botulismo è la più grave EST che può verificarsi nella produzione industriale e artigianale di conserve alimentari, in questo articolo prenderemo come riferimento il Clostridium botulinum (Cb) per definire alcuni concetti, come il valore D, il valore z, il Fo minimo, i metodi di calcolo, le curve di distruzione termica, l’analisi dei dati, i livelli di sterilità commerciale e altri argomenti che verranno trattati a tempo debito.

2. IL TRATTAMENTO TERMICO O IL PROCESSO PROGRAMMATO

I barattoli nel processo di produzione delle conserve, dopo essere stati riempiti con alimenti e liquidi, evacuati e sigillati per ottenere l’ermeticità, vengono riscaldati per un tempo e una temperatura predeterminati, utilizzando un mezzo di riscaldamento, che può essere vapore saturo sotto pressione, acqua calda o una miscela di entrambi, per ottenere la stabilità microbiologica degli alimenti o la sterilità commerciale (FDA, USDA), definita come la condizione raggiunta in un alimento in scatola dall’applicazione di calore per ottenere un prodotto privo di microrganismi in grado di riprodursi nell’alimento nelle normali condizioni di conservazione e distribuzione commerciale senza refrigerazione.

Il trattamento termico delle conserve, a seconda della temperatura a cui viene riscaldato il mezzo di riscaldamento, può essere definito pastorizzato (al di sotto dei 100 °C) o sterilizzato (al di sopra dei 100 °C) e, a causa dell’elevato rischio di sopravvivenza di batteri patogeni che possono influire negativamente sulla salute del consumatore, è considerato un punto di controllo critico (CCP) nel piano HACCP di qualsiasi impianto conserviero.

Per alcuni, la resistenza dei batteri è legata alla stabilità delle proteine enzimatiche resistenti al calore associate alle spore batteriche, ma l’opinione più diffusa è che i germi muoiano per coagulazione delle loro proteine cellulari, e in effetti esistono numerosi dati che dimostrano che i fattori che influenzano la coagulazione delle proteine esercitano una marcata influenza sulla resistenza al calore dei batteri e delle loro spore.

Il processo programmato o stabilito è progettato da un’autorità PT, che determina, con studi di penetrazione del calore, i parametri di tempo e temperatura a cui un alimento in scatola deve essere sottoposto per raggiungere la sterilità commerciale, stabilisce anche la temperatura iniziale dell’alimento prima di iniziare il processo e alcuni altri fattori critici.

3. RESISTENZA TERMICA DEI MICRORGANISMI

Qualsiasi temperatura superiore alla massima temperatura di crescita ideale del microrganismo è letale. Le forme vegetative di batteri, lieviti e funghi vengono rapidamente distrutte a 100 °C (212 °F) e normalmente non rappresentano un rischio nel trattamento termico degli alimenti in scatola, ma le spore di alcune specie batteriche sono estremamente resistenti al calore e richiedono un’esposizione prolungata alle alte temperature per essere distrutte. Pertanto, le condizioni letali per un microrganismo non possono essere espresse solo dicendo che muore a tale temperatura, ma è necessario indicare anche un tempo effettivo di mantenimento, definito come tempo di esposizione letale.

La quantità di calore necessaria per distruggere i batteri in un prodotto può essere calcolata con diversi metodi e la scienza che la studia è la termobatteriologia, che considera nelle sue valutazioni le caratteristiche di crescita dei microrganismi, la natura dell’alimento in cui i microrganismi vengono riscaldati e il tipo di alimento in cui i batteri trattati termicamente potranno crescere o metabolizzare.

Un metodo ampiamente utilizzato è il misuratore di termoresistenza, un dispositivo specificamente progettato per misurare il calore necessario per distruggere i batteri e le loro spore in condizioni di alta temperatura e breve tempo. Dischi o contenitori identici vengono preparati con la stessa quantità di alimento inoculato con una carica nota del microrganismo in studio e introdotti nella camera a vapore del termoresistometro; al termine del tempo di riscaldamento i dischi vengono rimossi dalla camera a vapore per raffreddarli e quindi l’alimento viene immediatamente depositato in provette contenenti un terreno di coltura batteriologico, incubato alla temperatura ottimale del microrganismo in studio per valutarne la sopravvivenza.

Un altro metodo per studiare i microrganismi produttori di gas, che prevede l’utilizzo di barattoli 208×006 per definire i tempi di distruzione termica, detti anche barattoli TDT, la metodologia è la stessa dell’esempio precedente, con la differenza che alla fine del processo, durante l’incubazione, si valuta la sopravvivenza dei microrganismi quando questi producono gas gonfiando i barattoli.

4. I VALORI DI D, Z E FO CONSIDERATI PER GLI STUDI SULLA PENETRAZIONE DEL CALORE

Le informazioni raccolte negli studi di resistenza termica dei microrganismi definiscono per loro il valore D, il valore Z e la Fo necessaria per ottenere la sterilità commerciale degli alimenti.

Il valore D è specifico per ogni microrganismo o spora. Stabilisce il tempo, in minuti e a temperatura costante, in cui si ottiene una riduzione decimale della carica microbiologica nell’alimento, cioè il tempo necessario per distruggere il 90% dei batteri presenti a una temperatura impostata in gradi Celsius o Fahrenheit. Più alto è il valore D di un microrganismo a una determinata temperatura, più alta è la sua termoresistenza, ad esempio a 121,1 °C (250 °F) il valore D del C. botulinum mesofilo è di 0,21 minuti e alla stessa temperatura il B. botulinum termofilo. Lo Stearothermophilus ha un valore D pari a 5 minuti.

Il valore Z è il numero di gradi Celsius o Fahrenheit necessari affinché la curva del tempo di distruzione termica percorra un ciclo logaritmico e serve a determinare alla stessa curva, a quale altra temperatura si può ottenere lo stesso effetto letale per il microrganismo in studio. Il valore Z di Cb è ogni 10 °C o il suo equivalente in ogni 18 °F.

Il valore F è il tempo in minuti necessario per distruggere un numero definito di microrganismi a una temperatura definita. La sua formula generale è F = D (log a – log b), dove D è la resistenza del microrganismo di riferimento da distruggere, log a è il carico iniziale di questo microrganismo e lob b è il carico finale. Dalla formula si conclude che la Fo dovrebbe essere più alta, se i batteri sono più resistenti al calore e anche se la carica iniziale di microrganismi nell’alimento è più alta; per gestire quest’ultimo aspetto, le procedure operative standard di sanificazione (SSOP) devono essere ben implementate nell’impianto di inscatolamento. Il valore minimo di Fo per Cb, per ottenere 12 riduzioni decimali, è di 2,52 minuti, ma nell’industria si utilizzano valori di 4 e persino 6 o più nel caso di conserve tropicali.

Attualmente esistono due metodi principali di calcolo della letalità utilizzati negli studi di penetrazione del calore per le conserve alimentari, la formula di Ball o il metodo matematico che offre la possibilità di calcolare processi alternativi ad altre temperature del processo termico programmato e il metodo generale descritto da Bigelow che considera l’intera curva di riscaldamento e la curva di raffreddamento per il calcolo della letalità del microrganismo di riferimento. Personalmente, ritengo che si debba tenere conto del contributo biologico dell’alimento, evitando la denaturazione di proteine, vitamine e altri nutrienti; per questo motivo preferisco utilizzare il metodo generale di Bigelow per il calcolo della letalità o della Fo negli alimenti in scatola.

5. REALIZZAZIONE DELLO STUDIO DI PENETRAZIONE TERMICA

Per le prove di penetrazione termica è preferibile utilizzare la preparazione commerciale del prodotto presso l’impianto di inscatolamento, ma è possibile utilizzare per le prove anche prodotti preparati in laboratorio, assicurandosi che il prodotto sia preparato nelle condizioni ragionevoli del caso peggiore. Ad esempio, aumentando la concentrazione di amido per creare un prodotto più viscoso, aumentando le dimensioni delle particelle dell’alimento, aumentando i pesi confezionati, nei prodotti che utilizzano una miscela di acqua e olio, utilizzando solo olio, poiché le sostanze grasse aumentano la resistenza al calore delle spore, tutte queste considerazioni aiutano a compensare le variazioni impreviste che possono verificarsi nella produzione ordinaria.

Le termocoppie di tipo T sono normalmente i sensori di temperatura scelti per gli studi, sono calibrate come discusso nella pubblicazione precedente e sono solitamente montate sul lato delle lattine; il punto della termocoppia che registrerà la temperatura dell’alimento sarà situato nel punto più freddo o nell’area in cui il riscaldamento è più lento. Nel caso di conserve riempite con alimenti solidi o molto viscosi, il trasferimento di calore avviene per conduzione e il punto più freddo è generalmente il centro geometrico del contenitore o la particella più grande dell’alimento. Nel caso di conserve riempite con zuppe, verdure in salamoia o in cui la percentuale di liquidi è elevata, il trasferimento di calore avviene per convezione e il punto più freddo è generalmente situato tra il centro geometrico del contenitore e il fondo. È importante notare che le conserve riscaldate per convezione possono essere riscaldate più rapidamente, riducendo così il tempo di lavorazione, quando la convezione forzata viene ottenuta scuotendo o ruotando il contenitore durante il processo termico programmato.

Ogni termocoppia deve essere identificata con un particolare numero di canale nel registratore e deve corrispondere allo stesso numero del sensore posizionato all’interno di ogni barattolo; ciò deve essere documentato nella registrazione della posizione della sonda per le successive analisi; almeno un sensore di temperatura deve essere posizionato nel bulbo termometrico dell’autoclave. Il numero di barattoli da utilizzare deve essere definito dall’autorità di PT, così come l’orientamento e la posizione del contenitore, l’uso di fogli divisori, la temperatura iniziale del prodotto, la temperatura e il tempo di sollevamento dell’autoclave. Lo studio deve continuare finché il barattolo più freddo non raggiunge i 2,77 °C (5 °F) della temperatura dell’autoclave nel caso di riscaldamento a conduzione o entro 1,11 °C (2 °F) della temperatura dell’autoclave per tutti gli altri prodotti.

6. PRESENTAZIONE DELLO STUDIO CON ANALISI DEI DATI

Lo studio di penetrazione del calore viene presentato in una relazione scritta che deve riportare: identificazione dell’impianto di inscatolamento, giorno della prova, identificazione dello studio, persona che ha condotto la prova, descrizione dell’autoclave, dimensioni del contenitore, prodotto lavorato, possibilità di annidamento dei barattoli o di nidificazione, pesi confezionati, grafico con la posizione delle sonde, temperatura iniziale, tempo e temperatura del processo, rapporto di temperatura con il calcolo della Fo per ogni termocoppia, definizione della Fo minima ottenuta, presentazione della curva di letalità e altre informazioni o fattori critici considerati dall’autorità PT.

La presentazione della curva del tempo di morte termica del microrganismo di riferimento o della curva di letalità (Thermal Death Time Curve) è di estrema importanza, in quanto dimostra in modo inconfutabile che il Fo o Po riscontrato, rispetta in modo soddisfacente la riduzione decimale del microrganismo target, pertanto il prodotto in scatola valutato è commercialmente sterile.

La temperatura più bassa o la Fo minima ottenuta su una termocoppia situata nel punto freddo di uno qualsiasi dei prodotti in scatola valutati viene solitamente utilizzata per stabilire la letalità raggiunta nei processi termici. Per gli alimenti a bassa acidità (LACF) la Fo minima ottenuta dovrebbe essere compresa tra 4 e 6 per il C. botulinum, ossia riscaldando l’alimento al punto di freddo 121,1 °C (250 °F) per 6 minuti.