Ở phần trước, ta đã xem xét các quy luật vi sinh vật bị tiêu diệt khi thanh trùng thực phẩm, tính chất lý nhiệt của quá trình liên quan tới thời gian truyền nhiệt vào tâm hộp. Nghiên cứu các quy luật này, chúng ta biết tường tận:
¾ các yếu tố của quá trình thanh trùng phụ thuộc gì và phụ thuộc ra sao, trên cơ sở đó lựa chọn nhiệt độ thanh trùng
¾ thời gian tiêu diệt phụ thuộc các yếu tố nào và phụ thuộc ra sao
¾ thời gian truyền nhiệt của quá trình thanh trùng phụ thuộc những yếu tố nào và làm sao điều khiển được chúng
Điều duy nhất chưa được nhắc đến nhưng trên thực tế lại vô cùng quan trọng, đó là: công thức thanh trùng có dạng C T C B A o − −
được thành lập chính thức ra sao? Và các số liệu cho phép ta đề xuất chế độ thanh trùng này hay chế độ thanh trùng khác được lấy từ đâu? Do đâu ta biết rằng nhất thiết phải thanh trùng theo công thức này chứ không phải công thức khác để có thể tiêu diệt tất cả các vi sinh vật trong đồ hộp? và trong công thức thanh trùng có bao hàm cả lượng dự trữ không nhỏ hay không? Hoặc chế độ thanh trùng nào đó còn chưa đủ và không bảo đảm sẽ không bị hư hỏng do vi khuẩn lúc bảo quản? …
Phân tích toán học các chế độ thanh trùng sẽ cho phép ta trả lời các câu hỏi này
Ta tưởng tượng đang thực hiện thanh trùng theo một chế độ nào đó. Đồ thị truyền nhiệt vào tâm hộp được vẽ trên hình sau:
Nếu chỉ nhìn vào đồ thị này, ta không thể trả lời câu hỏi vừa được đặt ra, bởi vì đồ thị này biểu diễn các nhiệt độ khác nhau đạt được ở trung tâm hộp. Khó khăn cho việc đánh giá hiệu quả của một chế độ thanh trùng cụ thể nào đó cho trước chính là ở đây: ta cần phải tính được tác dụng tiêu diệt vi sinh vật không phải của chỉ một nhiệt độ nào đó mà của rất nhiều nhiệt độ. Ta sẽ thử cụ thể hóa điều kiện thanh trùng bằng cách chia thời gian xử lý nhiệt ra làm nhiều khoảng nhỏ, chẳng hạn ta chia ra thành từng khoảng 5 phút một và ghi lại giá trị nhiệt độ ở mỗi mốc thời gian ấy. Thật ra khi làm như vậy ta đã biến quá trình xử lý nhiệt liên tục thành quá trình không liên tục.
Tuy nhiên nếu các khoảng thời gian ta lấy không lớn hơn 5 phút thì sai số sẽ không lớn. Bù lại, ta có các đặc điểm cụ thể của quá trình xử lý nhiệt ở dạng bảng ghi giá trị “thời gian – nhiệt độ”. Cho rằng ta cộng giá trị ở nhánh đi lên và nhánh đi xuống, ta thu được dãy số sau đây:
Thời gian tác dụng, phút 10 10 10 10 10 20
Nhiệt độ, oC 90 95 102 107 111 115
Như vậy nhiệm vụ đặt ra đã được giải quyết khá rõ ràng: ta có các giá trị nhiệt độ cụ thể đạt được ở trung tâm hộp và thời gian tác dụng của các nhiệt độ ấy. Có thể đề ra ngay phương pháp đánh giá hiệu quả của một chế độ thanh trùng, tìm ra bảng thời gian tiêu diệt ở mỗi nhiệt độ ta quan tâm rồi sử dụng nó như là chuẩn mực để tính số lượng vi sinh vật đã bị tiêu diệt ở nhiệt độ nhất định trong khoảng thời gian nhất định nào đó.
Ví dụ : thời gian tiêu diệt ở 90oC là 400 phút. Khi thanh trùng, nhiệt độ 90oC này tồn tại ở tâm hộp trong khoảng thời gian 10 phút. Như vậy ta có thể rút ra kết luận: trong vòng 10 phút này đã
tiêu diệt được 400
10
hay 2.5% vi sinh vật tồn tại trong hộp. Thực hiện phep tính tương tự cho các nhiệt độ khác ta có thể cộng các tỷ lệ vi sinh vật bị tiêu diệt và cuối cùng đánh giá hiệu quả thanh trùng của cả chế độ định trước. Theo nguyên tắc này, chế độ thanh trùng đúng có tổng số tỷ lệ tiêu diệt vi sinh vật là 100% ; chế độ thanh trùng chưa đạt có tỷ lệ tiêu diệt vi sinh vật nhỏ hơn 100% và chế độ thanh trùng có dự trữ có tỷ lệ tiêu diệt vi sinh vật cao hơn 100%.
Giả sử trong một tài liệu nào đó, ta tìm được bảng thời gian tiêu diệt đối với các vi sinh vật mà ta quan tâm:
Nhiệt độ, oC 100 105 110 115 120
Thời gian tiêu diệt , phút 300 85 70 45 24 Ta dễ dàng nhận ra không có giá trị nhiệt độ nào mà ta quan tâm lại có ở đây.
Ví dụ thời gian tiêu diệt ở 90 và 95oC không có do bảng được thành lập bắt đầu từ 100oC. Tiếp đó 102oC cũng không có, chỉ có hai giá trị gần là 100 và 105oC
Nói chung ta quan tâm đến bảng chỉ dẫn thời gian tiêu diệt vi sinh vật ở phạm vi nhiệt độ rộng lớn và các mức nhiệt độ trong bảng chênh lệch nhiều nhất chỉ là 1oC mà thôi. Các tác giả của bảng trên lại thực hiện trong phạm vi không rộng và mốc nhiệt độ lại cách nhau đến 5oC.
Ta chỉ thấy trong bảng có một giá trị nhiệt độ mà ta quan tâm – 115oC. Thời gian tiêu diệt ở nhiệt độ này là 45 phút – trong chế độ thanh trùng mà ta thực hiện, nhiệt độ này chỉ tồn tại trong vòng 20 phút. Vậy có thể kết luận chế độ này chưa đủ hay không?
Dễ dàng thấy rằng không có cơ sở phân tích nhất định, ta không thể khẳng định điều này.
Nhiệt độ 115oC tồn tại ở tâm hộp trong vòng 20 phút. Như vậy trong vòng 20 phút này lượng vi sinh vật bị tiêu diệt là 20/45 = 44.4% của tổng số vi sinh vật trong hộp. Tuy nhiên trước lúc đạt được 115oC, ở tâm hộp đã qua nhiều nhiệt độ khác (111, 107, 102…), mỗi nhiệt độ ấy kéo dài trong 10 phút, và mỗi nhiệt độ đều cho hiệu quả tiêu diệt nhất định không giống nhau. Ví dụ - hiệu quả tiêu diệt vi sinh vật của 10 phút ở 111oC nhất định phải cao hơn 102oC. Như vậy, ta
không thể cộng các khoảng thời gian 10 phút trên với nhau, điều này cũng giống như ta không thể cộng các phân số mà không quy chúng về một mẫu số vậy.
Nếu ta có thể quy đổi các khoảng thời gian 10 phút ở các nhiệt độ khác nhau về thời gian ở cùng nhiệt độ, 115oC chẳng hạn, có tác dụng tiêu diệt vi sinh vật tương đương, thì lúc này các kết quả thu được có thể đem cộng lại với nhau.
Khi ta tính toán, quy đổi, 10 phút ở 111oC có thể tương đương với 7 phút ở 115oC (giả sử vậy), gọi là 7 phút của thời gian có điều kiện, còn 10 phút ở 107oC tương ứng với 5 phút thời gian có điều kiện…
Nói chung việc quy đổi mỗi khoảng thời gian ở nhiệt độ bất kỳ thành thời gian có điều kiện ở nhiệt độ chuẩn (trong trường hợp này là 115oC) có tác dụng tiêu diệt vi sinh vật tương đương đem lại cho ta kết quả rất quan trọng là các khoảng thời gian sao khi quy đổi về một nhiệt độ - 115oC có thể cộng lại được.
Nếu sau khi quy đổi và cộng lại, ta thu được kết quả là 35 < 45 phút thì có thể rút ra kết luận: 9 Thứ nhất – chế độ thanh trùng của ta chưa đạt
9 Thứ hai – có thể tính mức độ đạt được về mặt số lượng bằng cách tính tỷ lệ vi sinh vật đã bị tiêu diệt 35/45 = 77.8%
Nếu sau khi quy đổi và cộng lại, ta thu được kết quả là 55 > 45 phút thì có thể rút ra kết luận: 9 Thứ nhất – chế độ thanh trùng của ta là đạt và còn chứa cả một mức dự trữ
9 Thứ hai – có thể tính được mức độ dự trữ (55-45)/45 = 10/45 = 22.2%
Ta có thể quy đổi thời gian tác dụng lên vi sinh vật từ nhiệt độ này sang nhiệt độ khác bằng cách sử dụng biểu thức (3), được viết lại như sau:
z T T y = C − a T lg (29)
Trong đó y - thời gian tác dụng lên vi sinh vật ở nhiệt độ xác định nào đó
T - thời gian có tác dụng tương đương y lên vi sinh vật ở nhiệt độ chuẩn TC z - hằng số sức chịu nhiệt (độ bền nhiệt) , oC
Trong ví dụ của chúng ta, 115oC được chọn như là nhiệt độ chuẩn. Thực ra, trên thế giới người ta quy ước nhiệt độ chuẩn là 121.1oC
Æ ToC = 5/9 . (ToF – 32) = 5/9 . (250-32) = 121.1oC
vào thời gian ấy, đây là nhiệt độ thanh trùng cao nhất trong nồi áp suất.
Nếu chấp nhận nhiệt độ chuẩn ấy, công thức (29) được viết lại như sau (với các ký hiệu khác):
z T F
U =121.1−
lg (30)
Trong đó F - khoảng thời gian ở 121.1oC có tác dụng lên vi sinh vật tương đương với khoảng thời gian ở nhiệt độ xác định nào đó
Từ biểu thức (30) z T F U = − 1 . 121 10 Æ z T U F = 121.1− 10 Biểu thức này có thể viết cách khác:
z T U F = 121.1− 10 1 . Số F được quy ước gọi là thời gian hiệu quả thanh trùng
Gọi z T F K = 121 .1− 10 1
(31) là hệ số chuyển đổi thời gian thực tế (thời gian tác dụng lên vi sinh vật ở nhiệt độ xác định bất kỳ TC) thành thời gian F ở 121.1oC có tác dụng tương đương.
⇒ F =U.KF (32)
Biểu thức đơn giản (31) giúp ta tính được hệ số chuyển đổi cho nhiệt độ thanh trùng bất kỳ với độ chính xác mà ta mong muốn. Trong công thức này, trừ T, các đại lượng khác đều là hằng số. Vì vậy khi thay vào công thức (31) giá trị nhiệt độ xác định nào đó với độ chính xác dù chỉ đến 0.1oC ta sẽ tìm được giá trị hệ số chuyển đổi cần thiết. Mỗi nhà nghiên cứu đều có thể xây dựng được bảng các hệ số chuyển đổi phục vụ cho nhu cầu của mình nhờ việc sử dụng công thức này. Ví dụ:
Nhiệt độ, oC 111 115 121.1 124
Hệ số KF 0.1 0.25 1 2
Từ các số liệu này, ta thấy rằng tác dụng tiêu diệt vi sinh vật của nhiệt độ 111oC yếu hơn tác dụng của nhiệt độ 121.1oC 10 lần – nghĩa là 1 phút ở 121.1oC có tác dụng tiêu diệt vi sinh vật như là 10 phút ở 111oC. Tương tự cho các nhiệt độ khác.
Bảng kê các giá trị hệ số chuyển đổi KF cho hằng số bền nhiệt z = 10oC trong khoảng nhiệt độ từ 90 – 130oC với độ chính xác đến 0.5oC được dẫn ra ở bảng sau:
ToC KF ToC KF ToC KF 90.0 90.5 91.0 91.5 92.0 92.5 0.0008 0.0009 0.0010 0.0011 0.0012 0.0014
Sử dụng các hệ số chuyển đổi KF, ta có thể tính được thời gian hiệu quả không những chỉ của một khoảng thời gian U nào đó ở 1 nhiệt độ xác định mà còn có thể tính được cho cả chế độ thanh trùng từ đầu đến cuối quá trình. Và sự phân tích trên cơ sở toán học của một chế độ thanh trùng xác định chính là ở đây: sự thiết lập mối quan hệ giữa công thức thanh trùng (thể hiện
các đặc điểm bên ngoài của chế độ thanh trùng) và thời gian hiệu quả (xác định được theo công thức này) xác định mức độ tiêu diệt vi sinh vật
Ta tưởng tượng đồ thị gia nhiệt của tâm hộp trong hệ tọa độ “thời gian thanh trùng – nhiệt độ” như ở hình (trang 26). Đồ thị này khắc họa “đường đi” của nhiệt độ vào tâm hộp trong quá trình thanh trùng, tương ứng với nhiệt độ tăng lên từ từ, đạt nhiệt độ cao nhất, đôi khi giữ ở nhiệt độ này một thời gian và sau đó giảm xuống.
Vì mỗi điểm nhiệt độ trên đường cong này tương ứng với một giá trị hệ số chuyển đổi KF nhất định nên ta có thể vẽ đồ thị trong hệ trục “thời gian thanh trùng – hệ số chuyển đổi” trong đó biểu diễn “đường đi” của hệ số chuyển đổi tương ứng với chế độ thanh trùng nhất định nào đó. Bởi vì hệ số chuyển đổi liên hệ thuận với nhiệt độ nên đồ thị thu được “thời gian thanh trùng – hệ số chuyển đổi” có tính chất giống như đồ thị gia nhiệt, nghĩa là khi nhiệt độ tăng thì giá trị các hệ số chuyển đổi cũng tăng tương ứng và ngược lại.
Đồ thị của hệ số chuyển đổi có dạng như ở hình sau. Phần diện tích giới hạn bởi đồ thị hệ số chuyển đổi được tính bằng tích phân xác định dạng
∫b
a
F d
K . T chính là hiệu quả của quá trình thanh trùng trong khoảng thời gian từ a đến b.
Để xác định giá trị của tích phân này, người ta dùng phương pháp tích phân gần đúng: chia thời gian a Æ b thành n phần bằng nhau, biểu thị bằng TP. Kẻ các đường thẳng vuông góc trục hoành đi qua các điểm chia này, cắt đồ thị hệ số chuyển đổi tại các điểm khác nhau – và như vậy ta đã chia cả diện tích F thành n phần và ký hiệu là f1, f2, f3…, fn
Căn cứ theo hình vẽ có thể thấy mỗi phần diện tích nhỏ được tạo thành là một hình thang vuông, và do đó có thể tính diện tích của mỗi hình rồi công các kết quả thu được ta có diện tích chung giới hạn bởi đồ thị KF – T. Tuy nhiên, nếu chấp nhận một sai số không lớn lắm, ta có thể cho rằng các diện tích nhỏ được tạo thành ở trên có hình chữ nhật (hơn nữa phần lớn các hình chữ nhật ấy thật sự giống hình chữ nhật, chỉ có một số rất nhỏ ở đầu và cuối quá trình là có hình thang). Chiều rộng của mỗi hình chữ nhật như vậy đều giống nhau : TP – còn chiều dài là hệ số chuyển đổi KF ở thời điểm nhất định nào đó của quá trình.
Như vậy : F = ∫b
a F d
K . T = TP(KF1 +KF2 +....+KFn) (33)
Lưu ý : các giá trị đầu và cuối của hệ số chuyển đổi cần phải lấy cho nhiệt độ không nhỏ hơn 95oC vì các giá trị nhiệt độ thấp hơn tác dụng rất yếu lên nha bào vi sinh vật và các giá trị hệ số chuyển đổi trong khoảng nhỏ hơn 95oC thật ra vô cùng nhỏ. Như vậy hiệu quả thanh trùng của một chế độ thanh trùng nào đó có thể tính theo công thức:
F = ∫ba a F d K . T ≅ ( .... ) 95 3 2 95oC F F F oC F P K +K +K + +K T Hay F = ∫b a F d K . T ≅ ) 10 1 .... 10 1 10 1 ( 121.1 95 121.1 121.1 95 2 z z T z P − + − + + − T
Như vậy hiệu quả F, hay còn gọi là thởi gian hiệu quả của một chế độ thanh trùng nào đó được gọi là khoảng thời gian kéo dài một chế độ gia nhiệt ổn định có tác dụng lên vi sinh vật tương đương như chế độ thanh trùng trên thực tế ở trong khoảng nhiệt độ thay đổi với điều kiện là lượng thực phẩm trong hộp được nâng nhiệt ngay từ đầu đến 121.1oC, sau đó giữ ở nhiệt độ này trong khoảng F phút, cuối cùng làm lạnh nhanh đến nhiệt độ cuối cần thiết. Như vậy hiệu quả F hay thời gian hiệu quả đo bằng phút quy ước ở 121oC
So sánh chế độ thanh trùng bình thường với hiệu quả F, hay thời gian hiệu quả tương đương Æ hình bên Nhìn đồ thị ta thấy rõ ràng quá trình gia công xử lý nhiệt cho đồ hộp trên thực tế lúc thanh trùng kéo dài trong thời gian U ở chế độ nhiệt độ thay đổi theo đường cong gồm 1 nhánh lên và một nhánh xuống. Chế độ thanh trùng quy ước F diễn ra ở nhiệt độ cố định 121.1oC từ đầu tới cuối trong thời gian là F phút. Thời gian F này nhỏ hơn một chút so với thời gian thanh trùng thực tế U nhưng tác dụng của nó lên vi sinh vật cũng tương đương với tác dụng của chế độ thanh trùng thật lên vi sinh vật khi đồ thị nhiệt độ trong thời gian U có nhánh tăng và giảm.
Việc sử dụng chỉ số này tiện lợi ở chỗ ta có thể biểu diễn tập hợp các nhiệt độ khác nhau với