1

หน่วยท ี4 การแปรรูปด้วยความร้อน

ในอุตสาหกรรมอาหาร การแปรรูปดว้ยความร้อน (thermal processing) เป็นศพัทที์ยอมรับกนั

วา่ หมายถึง การใหค้วามร้อน (heating) การคงอุณหภูมิ (holding) และการทาํใหเ้ยน็ (cooling) ทีใชใ้น

การกาํจดัอนัตรายจากอาหาร การพาสเจอไรเซชนัเป็นการแปรรูปดว้ยความร้อนแบบหนึงทีออกแบบไว้

เฉพาะสาํหรับจุลินทรียท์ีเป็นเชือโรค แต่ไม่ทาํใหไ้ดผ้ลิตภณัฑที์ไม่ตอ้งแช่เยน็ การฆ่าเชือทางการคา้

(commercial sterilization) เป็นกระบวนการทีทาํใหไ้ดผ้ลิตภณัฑที์เก็บไวไ้ดน้านในกระป๋อง

. เดซิมัลรีดักชันไทม์ (Decimal Reduction Time, D)

ในระหวา่งการฆ่าเชือดว้ยความร้อน ประชากรของจุลินทรียใ์นอาหารจะลดลงตามอุณหภูมิของ

ผลิตภณัฑ ์ จาํนวนประชากรของเซลล ์ เช่น E.coli, Salmonella หรือ Listeria monocytogenes จะลดลง

แบบล๊อกการิซึม ประชากรของสปอร์จุลินทรียจ์ะลดลงคลา้ย ๆ กนั แต่จะหลงัจากระยะพกั (lag time)

กราฟของประชากรจุลินทรียก์บัเวลา ไดแ้สดงในภาพที . เมือนาํขอ้มูลเดียวกนัมาเขียนลงบนกราฟ

กึงล๊อกในแกนตงัจะไดก้ราฟเส้นตรง ดงัแสดงในภาพที . ความชนัของเส้นตรงจะสัมพนัธ์โดยตรงกบั

เดซิมลัรีดกัชนัไทม ์D

เดซิมลัรีดกัชนัไทม ์D นิยามวา่ เป็นเวลาทีจาํเป็นในการลดประชากรจุลินทรียล์ง % เมือเขียน

จาํนวนประชากรจุลินทรียล์งบนแกนกึงล๊อกในแกนตงั ค่า D เป็นเวลาทีใชใ้นการลดจาํนวน

จุลินทรียล์งหนึงช่วงล๊อก จาํนวนประชากรจุลินทรียเ์ริมตน้ไม่มีผลต่อค่า D เนืองจากมนัขึนกบัความชนั

ของเส้นตรง ทาํใหค้วามร้อนทีอุณหภูมิสูงขึนกบัจุลินทรียจ์ะมีค่า D ลดลง ดงัแสดงในภาพที .

ภาพท ี . กราฟทวั ๆ ไปของประชากรจุลินทรียต์่อเวลา

2

ภาพท ี . กราฟกึงล๊อกของประชากรจุลินทรียต์่อเวลา

ภาพท ี . กราฟกึงล๊อกของประชากรจุลินทรียต์่อเวลาทีอุณหภูมิต่าง ๆ

ตามนิยามของเดซิมลัรีดกัชนัไทม ์จะไดส้มการต่อไปนี

log No – log N = t / D (4.1)

หรือ D = NlogNlog

t

o (4.2)

3

และ N / No = 10-t/D (4.3)

4.3 เวลาฆ่าเชือ (Thermal Death Time, F)

เวลาฆ่าเชือ F คือ เวลาทีตอ้งใชใ้นการลดประชากรจุลินทรียห์รือสปอร์ลงตามทีกาํหนด เวลานี

อาจจะระบุเป็นจาํนวนเท่าของค่า D เช่น ในการลดประชากรจุลินทรียล์ง . % จะเทียบเท่ากบัการ

ลดลง ช่วงล๊อก หรือ F = 4D โดยปกติในการแปรรูปดว้ยความร้อนเพือผลิตอาหารกระป๋อง ค่าทีใช้

สาํหรับเวลาฆา่เชือจะใช ้F = 12D โดยใชค้่า D สาํหรับเชือ Clostridium botulinum

ในตาํราทางวทิยาศาสตร์การอาหาร มกันิยมระบุค่า F โดยมีตวัห้อยระบุอุณหภูมิและตวัยกระบุ

ค่า z ของจุลินทรียท์ีจะทาํลายนนั ดงันนั zTF เป็นเวลาฆ่าเชือสาํหรับทีอุณหภูมิ T และความตา้นทาน

ความร้อน z และสาํหรับใชอ้า้งอิงจะมีเวลาฆา่เชือทีนิยมใชเ้ป็น 18250F ในหน่วยอุณหภูมิฟาเรนไฮต ์หรือ

10121F ในหน่วยเซลเซียส เวลาฆา่เชืออา้งอิงนี มกัจะเขียนยอ่ ๆ วา่ Fo และเป็นเวลาในการลดประชากร

สปอร์ของจุลินทรียที์มีค่า z = 10oC ทีอุณหภูมิ oC

4.4 โอกาสการปนเปือน (Spoilage Probability)

สาํหรับอาหารแปรรูปทีเก็บไดโ้ดยไม่ตอ้งแช่เยน็ เช่น อาหารกระป๋อง การฆา่เชือดว้ยความร้อน

นอกจากจะทาํให้อาหารปลอดภยัแลว้ ยงัสามารถใชป้้องกนัการเสือมเสีย โอกาสปนเปือนใชใ้นการ

ประมาณจาํนวนกระป๋องทีเสือมเสียจากจาํนวนทีแปรรูปทงัหมด

จากสมการ ( . ) สําหรับการไดรั้บเวลาใหค้วามร้อนฆา่เชือทงัหมด F

log No – log N = F / D (4.5)

ถา้กาํหนดให ้ r เป็นจาํนวนกระป๋องทีแปรรูปและ No เป็นจาํนวนสปอร์เริมตน้ต่อกระป๋อง จาํนวน

จุลินทรียท์งัหมดเมือเริมตน้กระบวนการจะเท่ากบั rNo และ

log (rNo) – log (rN) = F / D (4.6)

ถา้เป้าหมายของกระบวนการใหค้วามร้อนคือ ให้ไดโ้อกาสปนเปือนจุลินทรียไ์ดห้นึงเซลล์ในทงัชุด จะ

ได ้

log (rNo) = F / D (4.7)

หรือ

rNo = 10F/D (4.8)

และ

4

F/Do

10

N

r

1 (4.9)

ตัวอย่างท ี .

จงประมาณโอกาสปนเปือนของกระบวนการที oC เป็นเวลา นาที เมือ D113 = 4 min และ

จาํนวนประชากรจุลินทรียเ์ริมตน้เป็น 4 ต่อกระป๋อง

วธีิทาํ

) จากสมการ ( . )

12.5

4

50/4

4

10

10

10

10

r

1 = 10-8.5

ดงันนั

r = 108.5 = 108 x 100.5 = 108 x 10

= 3.16 x 108

) เมือ r = 3.16 x 108 ดงันนัอาจจะมีกระป๋อง กระป๋อง จากกระป๋องทงัหมด . x 108 กระป๋อง ที

ปนเปือน หรือประมาณสามกระป๋องจากกระป๋องทีถูกแปรรูปทงัหมด 9 กระป๋อง

4.5 การคํานวณกระบวนการด้วยวิธีทวัไป

การคาํนวณกระบวนการฆ่าเชือดว้ยความร้อนดว้ยวธีิทวัไปนี เป็นพนืฐานของการหาเวลาฆา่

เชือในอุตสาหกรรมปัจจุบนั ในการคาํนวณดว้ยวธีินีจะตอ้งทราบเวลาฆ่าเชือ (thermal death time) ของ

จุลินทรียที์ตอ้งการทาํลาย สําหรับทุก ๆ อุณหภูมิทีจะเกิดขึนในระหวา่งกระบวนการ

วธีิการนีจะมีการสร้างกราฟสเตอริลิตี (Sterility curve) สาํหรับกระบวนการกราฟนีจะเขียนโดย

แกนตงัเป็นอตัราฆา่เชือ (sterility rate F/t) ซึงมีค่าเท่ากบั [(121-T)/z] อตัรานีจะนาํไปเขียนกราฟกบัเวลา

และพืนทีใตก้ราฟจะเป็นฤทธิการทาํลายมีหน่วยเป็นเวลา วธีินีจะอธิบายโดยใชร้ะบบอุณหภูมิสูงเวลา

สันแบบตอ่เนือง (HTST) ของอาหารเหลว

การสเตอริไลซ์ทางการคา้อาหารเหลวสามารถใชรี้ทอร์ท (retort) หรือระบบการไหลต่อเนือง

แบบ HTST ซึงตอ้งใชร้ะบบบรรจุแบบปลอดเชือ (aseptic packaging)

ตวัอยา่งต่อไปนีจะช่วยอธิบายวธีิการในการออกแบบกระบวนการฆ่าเชือแบบ HTST โดยอาศยั

กราฟและจะทาํใหเ้ห็นวา่อุณหภูมิทีตาํกวา่อุณหภูมิของตวักลางใหค้วามร้อนอาจมีส่วนตอ่กระบวนการ

เป็นอยา่งมาก

5

ตัวอย่างท ี .

กระบวนการฆ่าเชือดว้ยความร้อน มีการใหค้วามร้อนอยา่งกะทนัหนัทีอุณหภูมิ oC ตามดว้ย

อุณหภูมิคงทีเป็นเวลาสีวนิาที จากนนัทาํใหเ้ยน็อยา่งกะทนัหนั ดงัภาพที . จงประมาณการฆา่เชือ

(lethality) ที oC เมือความตา้นทานความร้อน (z) ของจุลินทรียเ์ป็น 8.5oC

วธีิทาํ

) จากสมการทีแกไ้ขจากสมการ ( . )

138)/8.5-(121

121

138 10 F

F

) การฆ่าเชือที oC (F121) ตอ้งนานกวา่ที oC (F138) ถึง เท่า จึงจะมีการฆา่เชือเทียบเท่ากนั

ในสถานการณ์จริง ช่วงการทาํใหร้้อนและทาํใหเ้ยน็ในกระบวนการจะไม่เป็นไปอยา่ง

กะทนัหนั ดงันนัจะทาํให้เกิดการสะสมการฆา่เชือในระหวา่งการใหค้วามร้อนและการทาํให้เยน็

ภาพท ี . กราฟอุณหภูมิและเวลาสาํหรับตวัอยา่งที .

6

ตัวอย่างท ี .

กระบวนการในตวัอยา่งที . ถูกแกไ้ขใหม้ีการทาํใหร้้อนหนึงวนิาที และทาํใหเ้ยน็หนึงวนิาที

เพมิขึนจากการคงอุณหภูมิสีวนิาที ดงัภาพที . จงประมาณการฆ่าเชือที oC

ภาพท ี . กราฟอตัราทาํลายกบัเวลาสาํหรับตวัอยา่งที .

วธีิทาํ

) การฆา่เชือในช่วงทาํให้ร้อนและทาํใหเ้ยน็ สามารถประมาณไดโ้ดยสันนิษฐานวา่อตัราการทาํลาย

สัมพนัธ์แบบเส้นตรงของเวลา (ภาพที . )

) พนืทีใตก้ราฟระหวา่งการใหค้วามร้อนมีค่า . s และระหวา่งทาํใหเ้ยน็ก็มีค่าเท่ากนั

) การฆ่าเชือที oC จึงกลายเป็น

F138 = 0.5 + 4 + 0.5 = 5 s

4) ทีอุณหภูมิ oC

F121 = 5 x 10(138-121)/8.5 = 5(102) = 500 s

จะเห็นวา่การใหค้วามร้อนและทาํใหเ้ยน็ จะเพมิเวลาฆา่เชืออีก s เมือเทียบกบัตวัอยา่งก่อน

7

การสเตอริไลเซชนัและพาสเจอไรเซชนัแบบต่อเนืองดว้ยระบบ HTST สามารถนาํหลกัการของ

lethality มาใชไ้ดโ้ดยตรง เพราะมีการใหค้วามร้อนกบัผลิตภณัฑไ์ดอ้ยา่งสมาํเสมอและแบ่งส่วนเป็นให้

ความร้อนคงทีและทาํใหเ้ยน็แยกกนัชดัเจน

ตัวอย่างท ี .

ในการทดสอบการแปรรูปอาหารเหลวดว้ยระบบ HTST ระดบัโรงงานตน้แบบพบวา่ มี

จุลินทรียห์นึงเซลล์รอดจากการฆ่าเชือ ผลจากห้องปฏิบติัการระบุวา่เชือนีมีค่า D121 = 1.1 นาที และ z =

11oC จาํนวนเชือเริมตน้ทีสูงทีสุดพบวา่มี 105/g และขนาดภาชนะใหญ่ทีสุดทีใชคื้อ 1000 g

กระบวนการแปรรูปนีตอ้งการใหมี้การปนเปือนนอ้ยกวา่หนึงกล่องต่อ 10,000 กล่อง อุณหภูมิใน

ระหวา่งกระบวนการเป็นดงัตาราง

Process Time

(s)

Temperature

(oC)

Heating 0.5 104

Heating 1.3 111

Heating 3.4 127

Heating 5.3 135

Heating 6.5 138

Holding 8.3 140

Holding 12.3 140

Cooling 12.9 127

Cooling 14.1 114

Cooling 16.2 106

จงคาํนวณเวลาในช่วงอุณหภูมิคงที (holding time) เพอืให้ไดผ้ลดงักล่าว

8

วธีิทาํ

) เนืองจากกระบวนการทีตอ้งการจะลดประชากรจุลินทรียล์งเหลือหนึงเซลล์ต่อ , กล่อง หรือ

หนึงใน 7/g กระบวนการนีจะตอ้งเพียงพอทีจะลดประชากรลงจาก 105/g เหลือหนึงใน 107/g หรือ

10-7/g ซึงมีค่าเทียบเท่ากบัการลดจาํนวนลง ช่วงล๊อก และกระบวนการจะเทียบเท่ากบั 12 D121 หรือ

F121 = 12(1.1) = 13.2 นาที

) ในการประเมินความเพียงพอของกระบวนการนี จะตอ้งหาการฆา่เชือ (lethality) ในรูปของเวลาที

121oC

) ความสัมพนัธ์ของอุณหภูมิและเวลาทีวดัไดร้ะหวา่งกระบวนการถูกเขียนเป็นกราฟในภาพที .

นอกจากนนัไดห้าอุณหภูมิจุดกึงกลางทีห่างกนั วนิาที ตลอดกระบวนการ ดงัแสดงในตารางที .

ภาพท ี . กราฟอุณหภูมิและเวลาของกระบวนการในตวัอยา่ง .

9

ตารางท ี . การคาํนวณ Lethality ในตวัอยา่งที .

Time

(s)

Midpoint temperature

(oC)

Incremental lethality

(s)

0.8 107 0.001

1.8 114.8 0.005

2.8 122.4 0.025

3.8 128.7 0.094

4.8 132.9 0.226

5.8 136.25 0.456

6.8 138.3 0.701

7.8 139.4 0.882

8.8 140 1.000

9.8 140 1.000

10.8 140 1.000

11.8 140 1.000

12.8 129.2 0.104

13.8 117.25 0.008

14.8 111 0.002

15.8 108 0.001

6.505

อุณหภูมิจุดกึงกลางถูกเลือกเพอืให้อุณหภูมิอยูใ่นช่วงกลางของเวลาแต่ละวนิาทีในช่วงอุณหภูมิ

คงที วนิาที เนืองจากจุดกึงกลางของช่วงเวลา วนิาที คือ . s จุดกึงกลางในช่วงอุณหภูมิคงที ไดแ้ก่

8.3+0.5 = 8.8 และ 9.8, 10.8 และ 11.8 s ดงัตารางที .

) ในกรณีนีการฆ่าเชือทีใช้อุณหภูมิที holding เป็นอุณหภูมิอา้งอิง จะคาํนวณไดโ้ดย

อตัราการทาํลาย = 10(T-140)/z

10

เมือเลือกช่วงหนึงวินาที สามารถวาดแผนภูมิแท่งแสดงการอินทิเกรตเพือหาการฆ่าเชือทงัหมด

ดงัภาพที . พนืทีใตแ้ผนภูมิแท่งมีค่า . s ซึงเท่ากบัผลรวมของการฆา่เชือในคอลมัน์ lethality ใน

ตารางที . ผลรวมการฆ่าเชือเป็นกระบวนการที oC เป็นเวลา . s

ภาพท ี . แผนภูมิแท่งแสดงการอินทิเกรตดว้ยกราฟ เพอืหาการฆา่เชือทงัหมด

) กระบวนการทีคาํนวณไดม้ีค่าเทียบเท่ากบั

s347 )4.53( 505.610 x F F 121)/11-(14011140

11121

= 5.79 นาที

) เนืองจากกระบวนการทีตอ้งการคือ . นาที จึงตอ้งเพมิเวลาอีก . นาที ทีอุณหภูมิ oC

) กระบวนการทีตอ้งใหเ้พมิ สามารถทาํไดโ้ดยเพมิเวลาช่วง holding ใหเ้กิน วนิาที โดยเปลียนเวลาที

เพมิขึนมาเป็นเวลาทีเทียบเท่ากบัที oC

0.139 )0187.0( 41.710 x F F 140)/11-(12111121

11140 นาที

= 8.31 s

) เวลา holding ทงัหมด ทีจะทาํใหไ้ดก้ระบวนการทีตอ้งการจะกลายเป็น

4 + 8.31 = 12.31 s