Berechenbarkeit des Kühl-F-Wertes bei der Sterilisation

Nitsch, P. und I. Vukovic (2005) Mitteilungsblatt der Fleischforschung Kulmbach 44, Nr. 168, 65-70
Berechenbarkeit des Kühl-F-Wertes bei der Sterilisation
Predicton of the cooling-step while canning
P. NITSCH und I. VUKOVIC 1
1 Veterinärmedizinische Fakultät, Belgrad
Zusammenfassung
Bei der Entwicklung neuer Produkte bzw. bei Änderungen im Herstellungsprozess z. B. im
Bezug auf Erhitzungsregime, Konservenbehälterformate oder -materialien schon
eingeführter Produkte, ist es bisher zur Erzielung eines möglichst definierten Fc-Wertes
solch noch nicht in der Praxis erprobter Erhitzungen notwendig, den F-Wertanteil innerhalb
der Kühlphase rein heuristisch zu schätzen. Dadurch wird der Zeitpunkt der
Kühlphaseneinleitung bestimmt. Hier kommt es oft zu unbefriedigenden Ergebnissen. Ziel
der Arbeit war es, die Möglichkeit einer einfach in der Praxis handhabbaren
Vorausberechnung des Kerntemperaturverlaufes während der Kühlphase zu untersuchen.
Summary
At prototyping of canned foods it is necessary to value the F-value part of the cooling step of
a new heating regime. Only by this, the point of starting the cooling step is determined to
reach a defined F-value of a canning process. Sometimes this valuing causes insufficient
results. It was the aim to develop an easy-to-handle method to determine the behavior of the
central temperature during the cooling step of a can only a short time after the starting of the
heating process.
Schlüsselwörter
Key Words
F-Wert – Kühlphase – Kühlphaseneinleitung – Vorausberechnung
Kerntemperaturverlauf
F-value – cooling step – determination of the heating process – canning
Entwicklung des mathematischen
Modelles
Die Kerntemperaturverläufe sehen in den
Kurvenabschnitten zu Beginn der Erhitzung
und Beginn der Kühlphase bei den
sich konduktiv erhitzenden Brüh- und
Kochwurstwaren nahezu identisch aus.
Der Grund: Raum- und Kerntemperaturen
weisen sehr ähnliche Differenzen im
Betrag bei nahezu gleichem Zeitverlauf
auf. Es liegt also nahe, dass man die
gleich während der Anfangsphase der
Erhitzung aufgenommenen Daten für die
Berechnung der Kühlung durch einfache
Umformungen zugrunde legen können
sollte.
Um F-Wert relevante Aussagen treffen zu
können, muss es aber gewährleistet sein,
Temperaturen im Bereich oberhalb von
90 °C berücksichtigen zu können. Man
muss daher festlegen, bis zu welcher
Höhe während der Erhitzungsphase Daten
für die Berechnung zu berücksichtigen
sind.
Material und Methode
A: Modellierung des virtuellen Kerntemperaturverlaufes
in der Kühlphase
1. Definition des zu modellierenden
Bereiches:
130 °C (= Maximaltemperatur) – 90 °C
(Schwellenwerttemperatur) = 40 °C
Temperaturbereich
2. Aufnahme der Konserven-Kerntemperaturdaten
im Bereich "Temperatur
zum Zeitpunkt des Ermittlungsbeginns"
(= "Initialtemperatur") + 40 °C
65

Nitsch, P. und I. Vukovic (2005) Mitteilungsblatt der Fleischforschung Kulmbach 44, Nr. 168
Beispiel: Initialtemperatur (I-Temp.) =
14,2 °C. Aufnahme der Daten bis
52,2 °C. Dabei ist es wichtig, dies
im gleichen Zeitintervall wie für die
F-Werterfassung durchzuführen. Üblicherweise
ist das 1 Minute.
3. Verschiebung der Temperaturkurve auf
eine imaginäre Initialtemperatur von
0 °C. Beispiel: Für o. a. I-Temp. =
14,2 °C werden alle bis 52,2 °C
gemessenen Temperaturwerte mit 14,2
subtrahiert.
4. Für diese Kerntemperaturwerte erfolgt
nun ein Vorzeicheninvertieren durch
Multiplikation mit -1.
Der Erste dieser Werte entspricht aus
rein thermokinetischer Sicht dem letzten
Temperaturwert in der Haltephase.
Ab dann erfolgt ja die schnellstmögliche
Abkühlung mit einem im Betrag weitgehend
identischen Raumtemperaturverlauf
zum Prozessphasenbeginn.
5. Diese Werte werden zum beim
Einleiten der Kühlphase aktuell gemessenen
Kerntemperaturwert (= “letzter
Haltephasenkerntemperaturwert“) hinzu
addiert und so ein imaginärer Kerntemperaturverlauf
bis unter 90 °C
modelliert.
6. Aus diesen Werten werden die korrespondierenden
L-Werte resp. F-Wert errechnet.
Das Verfahren erwies sich bei ersten,
orientierenden Untersuchungen als teilweise
zu ungenau, besonders wenn der
Raum- und damit der Kerntemperaturverlauf
asymmetrisch zueinander in Aufheiz-
und Kühlphase erfolgen. Während
beim Versuchsautoklaven die Dampferhitzung
davon nicht betroffen war, zeigten
Riesel-, aber besonders die Vollwassererhitzung
eine ausgeprägte Asymmetrie.
So führten besonders die Verwendung
von „erhitzungsempfindlichen“ Konservenformaten
mit großer, spezifischer
Oberfläche bei Vollwassererhitzung zu
unakzeptabel hohen Abweichungen bis zu
50 % zwischen vorausberechneten und
gemessenen F-Werten der Kühlphase.
B: Modifikation des Berechnungsverfahrens
Wie die Analyse von 63 Messdaten ergab,
beruhen die Fehlberechnungen auf einer
langsameren Abkühlung der Kerntemperatur
als deren Erhitzung. Um dies
in das Modell einbeziehen zu können,
wurde zunächst nach Abhängigkeiten zum
Raumtemperaturverlauf gesucht. Dies
erwies sich jedoch als ein Irrweg, da man
vor bzw. unmittelbar zu Beginn einer
Kochung nicht auf das Kühlverhalten der
Maschinen schließen kann. Viel gravierender
ist jedoch, dass sich je nach Kühlverfahren
diese Beziehungen bei der
untersuchten Maschine änderten, so dass
sich weder eine allgemein gültige Aussage
im Bezug auf den zur Untersuchung eingesetzten
Autoklaven noch Aussagen
genereller Art ableiten ließen.
Konstantes Verhältnis von Aufheiz- zu
Abkühlverhalten. Die Untersuchungen
zeigten aber, dass das Verhältnis
zwischen Anstieg und Abfall der
Kerntemperatur in Abhängigkeit des gewählten
Erhitzungsverfahrens konstant ist
und zwar unabhängig von der Höhe der
Raumtemperatur bzw. vom Konservenformat.
Ist also einmal dieses Verhältnis
bekannt, so lässt sich damit für das angewandte
Erhitzungsverfahren bei jeder
Temperatur rechnen.
Erfassung des Verhältnisses. In Abhängigkeit
der gewählten Raumtemperatur eines
Erhitzungsregimes wird die Differenz
zwischen 90 °C und dieser maximalen
Raumtemperatur gebildet. Beispiel:
RT = 118 °C, dann 118 - 90 = 28.
Im nächsten Schritt wird die Zeit in
Minuten erfasst, welche der Kerntemperaturverlauf
benötigt, um bei der Anfangstemperatur
beginnend diese Temperaturdifferenz
zu überwinden. Beispiel: Anfangstemperatur
= 5,5 °C, dann 5,5 + 28
= 33,5. Die Zeitspanne ab dem Start der
Messung bis zu dem ersten Überschreiten
dieser 33,5°C-Marke stellt also diesen
Aufheizphasenwert dar.
66

Nitsch, P. und I. Vukovic (2005) Mitteilungsblatt der Fleischforschung Kulmbach 44, Nr. 168
Als dritter Schritt wird nun die Zeit
bestimmt, welche die Kerntemperatur benötigt,
um von dem letzten (= maximalen)
Haltetemperaturwert auf einen Wert unter
diese Spanne zu fallen.
Die Differenz zwischen dieser "Aufheizzeit"
und "Kühlzeit" ist unabhängig von der
Temperaturhöhe konstant. Hat man also
z. B. eine um 4 Minuten verlängerte
Abkühlzeit, so rechnet man zunächst 4-
mal den zur letzten Haltekerntemperatur
korrespondierenden L-Wert. Danach erst
modelliert man aus der Aufheizkurve eine
virtuelle Kühlkurve und errechnet dazu die
korrespondierenden L-Werte.
Für die hier durchgeführten Untersuchungen
ergaben sich für den verwendeten
Autoklav die in Tabelle 1 angegebenen
Werte für die in der Praxis gebräuchlichsten
Verfahren Vollwasser-, Rieselbzw.
Dampferhitzung, alle in Standerhitzung.
Tab. 1: Aufheiz- zu Kühlphasenkerntemperaturverhältnisse
Erhitzungstyp Mittelwert Median Berechnungsfaktor
Vollwasser 4,08 4 4
Rieseln 1,25 1,4 1
Dampferhitzung -0,64 -1 0
Modellierung der Kühlkurve. Hierzu wird
der Anfang der Erhitzungskurve herangezogen.
Es wird in allen Fällen mit dem
niedrigsten Kerntemperaturwert (allgemein
1. Messwert) begonnen, wobei es wichtig
ist, dass der nächste Kerntemperaturwert
eine deutliche Steigerung des korrespondierenden
Raumtemperaturwertes aufweist,
also die Raumtemperatur hier schon
„hochzieht“.
Idealerweise sollte der Raumtemperaturverlauf
der Erhitzungsphase spiegelbildlich
zum später zu beobachtenden Verlauf in
der Kühlphase sein. Dazu empfiehlt sich
die Erfassung des 1. Kerntemperaturwertes
unmittelbar vor dem Start des
Autoklavenprogrammes (allgemein werden
hier Raumtemperaturwerte um 20 °C
erfasst). Unmittelbar darauf erfolgt dann
der Programmstart mit Füllung des
Arbeitskessels, so dass bei der Erfassung
des 2. Kerntemperaturwertes das Gerät
schon eine deutliche Raumtemperaturerhöhung
aufweist (bei eigenen Untersuchungen
waren dies teilweise Werte
über 50 °C und mehr). Sollte es zu Verzögerungen
beim Starten des Erhitzungsprozesses
kommen, so bestimmt man den
ersten, deutlich gegenüber der Beschickung
erhöhten Raumtemperaturwert
und beginnt mit der Berechnung mit dem
letzten Kerntemperaturwert davor.
Praktische Erprobung
Die Praxistauglichkeit des o. a. Verfahrens
wurde anhand von 49 Einzelkochungen
untersucht. Dabei wurde auf Auswahl
praxisrelevanter Parameter bezüglich Erhitzungsregime,
Konservenformate und
Erhitzungstemperaturen geachtet.
Wie bereits o. a. wurden die Untersuchungen
bei Anwendung von Vollwasser-,
Riesel- und Dampfverfahren angewandt.
Dabei wurde stets mit maximal möglichen
Temperaturein- und -austragsgeschwindigkeit
gearbeitet (engl.: "Bang-bang"-
Verfahren). Es wurde für jedes Verfahren
mit Temperaturen von 110 °C, 115 °C und
120 °C gearbeitet. Als Konservenbehälter
dienten die allgemein verbreiteten und
genutzten Formate 99 x 36, 73 x 58 und
99 x 63 in Weißblechausführung. In allen
Fällen diente feinzerkleinerte Brühwurst in
Rezeptur und Zusammensetzung einer
auf Konservenherstellung angepassten
Lyoner als Füllgut.
Die Kerntemperaturerfassung erfolgte
mittels wasserdampfdichten und hoch
hitzefesten Pt100-Sensoren zusammen
mit einem rechnergestützten Messdatenerfassungssystem.
Mit dieser Messanordnung
ist nach Kalibrierung mittels
mikroprozessorbasiertem Präzisionstemperaturkalibrator
vom Typ SIKA TP
28800 eine Messgenauigkeit von reproduzierbar
0,3 °C über den gesamten
Temperaturbereich beim Autoklavieren
garantiert. Die Messdaten wurden dabei in
Echtzeit in ASCII-Format abgelegt und
einer weiteren Bearbeitung mittels NCSS
67

Nitsch, P. und I. Vukovic (2005) Mitteilungsblatt der Fleischforschung Kulmbach 44, Nr. 168
2002 (Ncss-Corporation/Orem, Utah,
USA), einem führenden Softwarepaket zur
statistischen Datenanalyse, unterzogen.
Ergebnisse und Diskussion
Im folgenden sind die Ergebnisse der
Untersuchungen aufgeteilt nach den
angewandten Erhitzungsverfahren Vollwasser-,
Riesel- und Dampferhitzung als
Grafiken aufgeführt. Je Erhitzung wurden
unterschiedliche Konservenformate bei
allen o. a. Erhitzungstemperaturen angewandt.
Wie aus den drei Grafiken ersichtlich, ist
der Absolutfehler im Bezug auf den
erfassten Kühl-F-Wert sehr gering. Dabei
ist zudem zu berücksichtigen, dass der
Kühl-F-Wert nur einen Teil des F-Wertes
einer Erhitzung darstellt, der in Abhängigkeit
des angewandten Erhitzungsregimes
in der Praxis üblicherweise bei maximal
liegt. Somit reduziert sich hier der Fehler
absolut gesehen nochmals. Weiterhin ist
zu beachten, dass die berechneten Werte
bei den untersuchten Erhitzungsvarianten
Rieseln und Vollwasser in der weitaus
überwiegenden Zahl dazu neigen, niedriger
auszufallen als die tatsächlich gemessenen
Referenzwerte.
Bei den drei untersuchten Erhitzungsverfahren
beträgt der prozentuale Fehler
zwischen vorausberechneten und gemessenen
Kühlphasen-F-Werten ca. 10 %. in
Tabelle 2 sind die einzelnen Werte aufgeführt.
Tab. 2: Prozentuale Fehler zwischen vorausberechneten
und gemessenen
Kühlphasen-F-Werten
Vollwasser Rieseln Dampf
Median -10,43 % -8,57 % 8,07 %
Mittelwert -12,23 % -9,61 % 9,18 %
Die mit besser 2 % geringen Median-
Mittelwertsabstände belegen eine hohe
Stabilität der errechneten Werte. Zwischen
der Berechenbarkeit resp. der Genauigkeit
der vorausberechneten Kühl-F-Werte und
der Höhe des Gesamt-F-Wertes, bzw.
dem Konservenformat oder der Erhitzungstemperatur
besteht statistisch abgesichert
keine Abhängigkeit.
Orientierende Untersuchungen an mit
feinzerkleinerter Leberwurst gefüllten
Konserven unterschiedlicher Formate,
Erhitzungstypen und -intensitäten zeigten,
dass das Berechnungsverfahren unempfindlich
gegenüber der Zusammensetzung
des Füllgutes ist.
Zusammenfassung
Ziel der Arbeit war es, die Möglichkeit
einer einfach in der Praxis handhabbaren
Vorausberechnung des Kerntemperaturverlaufes
während der Kühlphase zu
entwickeln. Die Ergebnisse belegen, dass
es möglich ist, die während einer
Kühlphase auflaufenden F-Werte schon
wenige Minuten nach Start einer Messung
mit hoher Genauigkeit vorauszuberechnen.
Dabei erwiesen sich wider Erwarten
die Höhe des F-Wertes, Konservenformate
oder Erhitzungstemperaturen
ohne Einfluss auf die Berechenbarkeit
resp. die Genauigkeit der errechneten
Werte. Lediglich muss ein sich bei den
hier vorliegenden Untersuchungen als
konstant erwiesenes Verhältnis zwischen
dem Kerntemperaturverlauf während der
Erhitzungs- und der Kühlphase bekannt
sein. Dies lässt sich durch wenige
Beobachtungen individuell ermitteln.
Mit der Vorausbestimmung des Kühl-F-
Wertes wird es möglich, eine maximale
mikrobielle Sicherheit in Kombination mit
möglichst geringer Hitzebelastung des
Produktes sicher zu kombinieren. Für die
Praxis bedeutet dies bestmögliche
Produktqualität bei möglichst geringen
Erhitzungszeiten resp. optimaler Effizienz
des Erhitzungsprozesses schon in der
Einführungsphase neuer bzw. modifizierter
Produkte.
68

Nitsch, P. und I. Vukovic (2005) Mitteilungsblatt der Fleischforschung Kulmbach 44, Nr. 168
Kochung Format Raumtemperatur F-Wert
a 99x36 110 0.75
b 99x36 110 0.64
c 99x36 120 3.53
d 99x36 120 3.63
e 73x58 110 0.65
f 73x58 110 0.64
g 73x58 120 4.41
h 73x58 120 4.28
i 73x58 115 3.44
j 73x58 115 3.15
k 99x36 115 3.01
l 99x36 115 3.18
Abb.1: Berechnete und gemessene F-Werte während der Kühlphase für Vollwassererhitzung
Kochung Format Raumtemperatur F-Wert
a 73x58 120 3.37
b 73x58 120 3.34
c 99x36 120 3.76
d 99x36 120 2.97
e 73x58 110 0.72
f 73x58 110 0.72
g 99x36 110 0.64
h 99x36 110 0.63
i 73x58 115 2.56
j 73x58 115 2.47
k 99x36 115 3.32
l 99x36 115 2.87
Abb.2: Berechnete und gemessene F-Werte während der Kühlphase für Rieselerhitzung
69

Nitsch, P. und I. Vukovic (2005) Mitteilungsblatt der Fleischforschung Kulmbach 44, Nr. 168
Kochung Format Raumtemperatur F-Wert
a 73x58 115 8.96
b 99x36 115 14.29
c 99x63 115 3.42
d 73x58 120 18.09
e 99x36 120 34.21
f 99x63 120 4.13
g 73x58 110 4.96
h 99x36 110 6.3
i 99x63 110 2.73
j 99x36 120 4.18
k 99x36 120 4.07
l 99x36 110 2.67
m 99x36 110 2.67
n 99x36 115 3.28
o 99x36 115 3.24
p 73x58 115 3.49
q 73x58 115 3.19
r 73x58 110 3.1
s 73x58 110 2.98
t 99x63 120 3.78
u 99x63 120 3.27
v 73x58 110 0.52
w 73x58 110 0.54
y 99x36 110 0.52
x 99x36 110 0.44
Abb. 3: Berechnete und gemessene F-Werte während der Kühlphase für Dampferhitzung
70