果酱管式杀菌机杀菌强度及压降计算模型的应用研究.pdf

饮 料 工 业2023，Vol.26，No.4应用研究收稿日期：2022-11-16作者简介：杨瑞冬（1993），男，工程师，硕士，研究方向为乳品生物与技术。E-mail：通讯作者：王彦平（1977），男，高级工程师，本科，研究方向为乳制品及饮料工艺研究。E-mail：巴根纳（1978），男，高级工程师，硕士，研究方向为乳品生物与技术。E-mail：摘要：含颗粒果酱在常温液态奶制品中的添加可以增加产品的营养价值，为保证高粘度果酱杀菌后口感真实性和无菌性，常使用果酱管式杀菌机对其进行无菌化处理。目前，尚未有成熟公开的方法，用于计算果酱管式杀菌机杀菌强度及压降。本文结合管式杀菌机特殊结构和基础物理学计算公式，建立了果酱管式杀菌机的杀菌强度及压降计算模型。通过检测不同种类果酱的动力粘度，比对模型计算值与杀菌机实际运行过程总压降，发现模型计算误差为 1.72%。此外，为降低高粘度果酱在杀菌机内部的压降，本研究对果酱杀菌机进行了改造。尽管杀菌机管路截去大约三分之一，但通过降流量和调整杀菌温度，实现整机杀菌强度不降低（改造前 F90=170.51 min，改造后 F90=171.61 min），无需投入额外成本进行无菌验证，即可保证产品的微生物安全性。本研究对高粘度果酱工业无菌化处理具有重要的指导意义。关键词：果酱；管式杀菌机；压降；杀菌强度Study on the Application of Calculation Model of Sterilization Intensity and Pressure Dropof Jam Tubular SterilizerYANG Rui-dong，HAN Zhi-hao，LIU Jian-guo，HOU Zhao-qian，LIN Wei，LI Heng，WANG Yan-ping*，BA Gen-na*（R&D Department of Liquid Milk Business Department of Inner Mongolia Yili Industrial Group Co.，Ltd.，Hohhot010110，China）Abstract:The addition of granulated jam in normal temperature liquid dairy products can increase the nutritionalvalue of the product.In order to ensure the authenticity and sterility of the taste of high viscosity jam aftersterilization，jam tube sterilizer is often used to sterilize it.At present，there is no mature and open method tocalculate the sterilization intensity and pressure drop of jam tube sterilizer.Combining the special structure of thetubular sterilizer and the basic physical calculation formula，we established a calculation model for the sterilizationintensity and pressure drop of the tubular sterilizer of jam.By measuring the dynamic viscosity of different kinds ofjam and comparing the calculated value of the model with the total pressure drop during the actual operation of thesterilizer，it was found that the calculation error of the model was 1.72%.In addition，in order to reduce the pressuredrop of high viscosity jam in the sterilizer，the jam sterilizer was modified.Although about one-third of the sterilizerpipeline is cut off，the sterilization intensity of the whole machine is not reduced（F90=170.51min before thetransformation，and F90=171.61min after the transformation）by reducing the flow rate and adjusting the sterilizationtemperature.The products microbiological safety can be guaranteed without additional costs for sterility verification.This study has important guiding significance for aseptic processing of high viscosity jam industry.Key words:iam；tubular sterilizer；pressure drop；bactericidal intensity中图分类号：TS203文献标志码：A文章编号：1007-7871（2023）04-0044-06果酱管式杀菌机杀菌强度及压降计算模型的应用研究杨瑞冬，韩之皓，刘建国，侯兆乾，蔺炜，李恒，王彦平*，巴根纳*（内蒙古伊利实业集团股份有限公司液态奶事业部研发部，内蒙古呼和浩特010110）442023，Vol.26，No.4应用研究饮 料 工 业在日益升级的消费浪潮中，消费者对个性化、差异化乳制品的需求不断提高，而在发酵乳制品中添加果泥、带颗粒的果酱，获得吃得爽、嚼得到的直接感受，逐渐受到消费者的青睐和认可，成为液态食品增长的新动力、新方向1。目前在发酵乳制品中添加果酱原料主要采用无菌双线法完成，采用独立的管式杀菌机分别处理基料及果酱原料后在线无菌混合，确保产品最佳杀菌效率；果酱原料属于非牛顿流体，其在超高温处理过程中在管道中的压力降主要为管道摩擦压力降、速度压力降及静压力降之和，物料的粘度、杀菌机流量、管径、弯头等均对其系统压力产生显著影响，同时由于不同类型的果酱其粘度存在显著差异，在产品设计及工业化转化过程中选择高粘度果酱易出现因系统压力升高，进料泵动力不足导致杀菌机断料，而选择低粘度果酱难以保证生产过程中颗粒的均匀性。因此，杀菌机系统压力降与果酱物料粘度的匹配性成为影响产品上市及后续生产成本的关键因素2，3。现代杀菌机不是只针对单一品种物料进行杀菌，往往一机多用，即同一杀菌机上完成多种产品的杀菌任务，这就需要杀菌机在设计时提出一个比较复杂的杀菌工艺，兼顾多个生产品种，以满足不同消费者对于不同口味的需求4。因此，新产品上市过程中，往往需要对管式杀菌机进行改造，以满足不同粘度果酱生产需求。为满足高粘度酸奶在管式杀菌机内部的通过性，依据压降计算公式，可以通过降低管路长度或降低生产流量来实现5。杀菌机管路和流量的调整，会影响果酱在杀菌机内部受热温度和受热时间，进而影响果酱中微生物灭活效果6。因此，在对果酱管式杀菌机进行改造过程中，评估果酱受热情况，前提是确保产品安全，降低因微生物而引发的质量风险7。本研究依据管式杀菌机结构与基础物理学公式，构建果酱管式杀菌机系统压降和杀菌强度计算模型。通过对 9种不同类型果酱动力学粘度进行检测，带入模型计算理论杀菌强度与压降。选择一种具有代表性的高粘度果酱，评估该果酱在管式杀菌机内的实际运行压降和杀菌强度，完成管式杀菌机适配性评估及改造。本研究为果酱与管式杀菌机的匹配性评估奠定理论基础及科学依据。1 1材料与方法材料与方法1.1材料与试剂果酱江西奕方农业科技有限公司。1.2仪器与设备Rheolab QC 旋转流变仪奥地利安东帕有限公司；果酱杀菌机瑞典利乐公司。1.3方法1.3.1模型搭建准备选取不同粘度果酱使用利乐 UHT 杀菌机进行杀菌，杀菌过程记录杀菌机整机的实际运行压力值、温度值和受热时间，用于模型搭建。1.3.2果酱动力粘度测定采用 Anton Paar 公司生产的 Rheolab QC 型旋转流变仪通过测量旋转扭矩和速度来测量果酱的粘度。由于果酱粘度受剪切速率、温度及压力等因素的影响，所以需要对果酱的动力粘度进行测定，进行分析时需选取合适的粘度回归模型。将冷藏果酱冷却至室温后，选择 CC27 型号测量夹具，采用 79312 型号四叶片防沉降桨式转子，此转子适合测量含颗粒物（0.1mm）的有沉积倾向的样品。均匀采取果酱样品，移入测量夹具量杯中，添加至内部刻度线即可。设置预剪切 1min，剪切速率设定为 100s-1，每隔 15s读取一次数据，共读取 60 个数据点，测定 15升温至90过程中果酱的动力粘度曲线。1.3.3果酱杀菌系统压降计算果酱经过杀菌机管路后的系统压降由三部分组成，分别为静压力降Pa，速度压力降PN和摩擦压力降Pf。总压力降P=Pa+PN+Pf，不同压力降的计算方法如下：P=(Z2-Z1)g10-3+(u22-u21)210-3+LD+K u2210-3（1）式中：Z1管道始端标高，m；Z2终端标高，m；u1始端的果酱流速，m/s；u2终端的果酱流速，m/s；u果酱在管道内的平均流速，m/s；果酱的密度，kg/m3；摩擦系数；L管道长度，m；D外管道内直径，m；K管件、阀门等阻力系数。K的取值见表 1。表 1果酱管式杀菌机常见管道附件阻力系数取值Table 1Temperature heating diagram between two points管道附件名称90斜街弯头180标准弯头截止阀（全开）角阀（全开）K1.301.506.003.00一般情况下摩擦系数 的取值与雷诺数 Re 有关，果酱杀菌过程属于在圆管内进行层流运动，因此 的计算公式如下：45饮 料 工 业2023，Vol.26，No.4应用研究Re=du（2）=64Re（3）式中：d内管道内径，mm；果酱粘度，mPas。1.3.4果酱杀菌强度计算杀菌机杀菌过程中果酱物料被连续处理，果酱在管道内经历了升温、恒温和冷却三个主要过程，所受杀菌强度可依据以下公式进行计算8；F=0t10T(t)-T(r)Zdt（4）式中：T（t）果酱冷点的温度，；T（r）杀菌标准温度，；Z微生物耐热性特征值，；t加热时间，s。通常将 Z 值默认为 10，此时当杀菌温度 T（r）为121时，F值被称为标准F值，用F0表示。而T（t）果酱冷点的温度（）计算公式如下：T(t)=ti+y2-y1x2-x1t（5）式中：ti某一段杀菌管路入口处的温度，；x1杀菌管路入口的时间，min；x2杀菌管路出口的时间，min；y1杀菌管路入口的温度，；y2杀菌管路出口的温度，。为了便于理解，我们绘制了图 1。图 1 为温度随时间变化趋势线，A点和B点分别为杀菌管路入口和出口；图1b 中黑色阴影部分面积为从A点到B点整个升温过程累积杀菌强度。125120115110102104106108Time/sTemperature/（a）AB0.040.030.020.010.00102104106108Time/sF0（min）（b）图 1两点间升温受热图Fig.1Temperature heating diagram between two points1.3.5数据分析及可视化果酱杀菌压降和杀菌强度计算模型采用 R 语言（4.2.0版本）编译，数据可视化采用 R 语言 tidyverse 包执行9。2 2结果与讨论结果与讨论2.1果酱管式杀菌机压降计算模型的建立为了评估高粘度果酱在已有杀菌机内部压降值，本研究构建了果酱管式杀菌机压降计算模型。构建模型所用杀菌机基础管路信息见表 2。该杀菌机与纯奶超高温杀菌机结构相比较为简单，共有 5 段管线，可实现果酱原料从8入口，到 115杀菌，之后降低至 25出口。此外，与纯牛奶杀菌机区别之处在于，所有管线结构均为套管，即外管内部仅有一根内管，这样的结构主要是为了满足颗粒型果酱在杀菌机内部的通过性。表 2果酱高温管式杀菌机基础信息Table 2Basic information of jam high-temperature tubularsterilization machine12345内管内径/mm3838513838外管内径/mm7070707070管长/m606044.56654列管数11111入口温度/89010710740出口温度/901071074025本研究采用芒果燕麦果酱构建压降计算模型，首先对芒果燕麦果酱的动力粘度进行检测（图 2a）。15条件下芒果燕麦果酱粘度 8000mPas，当果酱温度上升至 90时，粘度下降至 3000mPas 左右，表明温度对芒果果酱粘度影响显著。结合管式杀菌机结构，计算得到杀菌机每段管线压降，并绘制压降提升示意图（图 2b），由图可知，芒果燕麦果酱在管式杀菌机内部合计压降为 58bar。为验证模型462023，Vol.26，No.4应用研究饮 料 工 业计算结果准确性，本研究对芒果燕麦果酱进行生产线测试，芒果燕麦果酱在管式杀菌机内部压力运行曲线见图2c。由图可知，杀菌机管路内部 PT10 和 PT31 压力表合计压力达到 59bar。理论计算压力与实际运行过程压力分别为 58bar 和 59bar（图 2d），计算误差为 1.72%。综上，本研究构建的压降计算模型，可以准确地预测果酱在管式杀菌机内部的压降。2.2果酱管式杀菌机杀菌强度计算模型的建立用于水果原料加工的果酱生产技术可能是影响最终产品质量的关键控制点10。食品安全的概念是如果按照适当的用途制备和/或食用，食品不会对消费者造成伤害11。管式换热器比板式换热器成本低，但前者每单位长度的管具有较低的热交换表面积，因此管式换热器管的长度是保证热传递的必要条件。热处理过程的计算取决于特定时间和温度范围内微生物的灭活。在恒定温度下将微生物种群减少 10 倍所需的时间称为该过程的 D 值，D 值提供了微生物细胞或孢子耐热性的定量指标12。根据参考温度下 D 值的倍数量化提供给食品原料杀菌强度的过程，也称为参考条件下的 F 值13。我们计算了果酱管式杀菌机传热面积，该杀菌机传热面积达到 29m2（图 3b）。为评估杀菌机在处理果酱过程中微生物安全性，本研究采用前文构建的杀菌强度计算模型，计算果酱管式杀菌机的杀菌强度（图 3a，图 3c），由图可知当杀菌温度为 107，参考温度为 90，杀菌机流量为 2m3/h 时，整机杀菌强度为 170min。图 3果酱管式杀菌机运行过程中随时间变化的温度（a）传热面积（b）和杀菌强度（c）曲线Fig.3Curves of temperature（a）Heat transfer area（b）and sterilization intensity（c）Variationsover time during the operation of jam tubular sterilization machine2.3果酱动力粘度及理论压降评估模型的验证通常被定义为从预期用途的角度确定模型在多大程度上是真实数据的准确表示过程14。为评估压降和杀菌强度理论计算模型准确性，本研究检测了 9 种常温液态奶制品中添加的果酱粘度（图 4a，图 4b）。这些果酱根据其特性大致可分为两组：含颗粒/不含颗粒（或高粘度/低粘度）。从图 4b 可看出，9 种果酱的粘度与温度相关性系数范围为：-0.75-1，表明温度对果酱粘度影响显著。此外，含颗粒果酱动力粘度曲线平滑度和相关性系数较低，原因是粘度检测过程中不规则颗粒在粘度计夹具中挤压受力不均匀。其中，7#百香果酱的粘度最低，20时粘度不足 100mPas，最高的 4#样品 20时粘度为 10000mPas。两种果酱巨大的粘度差异会导致杀菌过程中压降差异（图4c）。可以看到，9 种果酱在杀菌机内部相同时间流动过程图 2果酱管式杀菌机压降模型构建及验证a.芒果燕麦果酱动力粘度曲线；b.芒果燕麦在果酱管式杀菌机实际运行及理论；c.计算压降；d.理论与实际压降对比Fig.2Construction and validation of pressure drop model for jamtubular sterilizer（a）Mango oat jam dynamic viscosity curve.（b）Pressure drop calcula-tion for mango oat jam in the actual operation of the tubular steril-ization machine and theoretical calculation.（c）Calculate pressuredrop.（d）Comparison of the oretical and actual pressure drops.47饮 料 工 业2023，Vol.26，No.4应用研究中，理论压降范围为 8.0bar83.0bar。考虑到杀菌机管路设计承压最高不超过 50bar，因此需要降低果酱的粘度，或对果酱管式杀菌机进行改造。图 4果酱动力粘度及理论压降值（9 种）（a）9 种果酱外观；（b）9 种果酱动力粘度；（c）9 种果酱理论运行压降Fig.4Dynamic viscosity and theoretical pressure drop values of 9types of jam.（a）Appearance of 9 types of jam；（b）Dynamic viscosity of 9 typesof jam；（c）Theoretical operating pressure drop of 9 types of jam2.4高粘度果酱试产及设备改造本研究对果酱管式杀菌机进行改造，以降低果酱杀菌过程中压降值。对于本研究涉及的管式杀菌机来说，静压力降Pa主要来自杀菌机进出口高度差，杀菌机进出口是为了满足上下游设备连接性，不具有改造可行性。由于杀菌机进出口流速基本一致，速度压力降PN在实际计算中可以忽略。因此主要可通过调整Pf来降低总压降。由模型（1）可知，管路长度L和流速u对摩擦压力降影响显著。因此本研究对果酱杀菌机进行了改造（表 3）。表 3改造后的果酱杀菌机基础信息Table 3Basic information of the modified jam sterilization machine12345内管内径/mm3838513838外管内径/mm7070707070管长/m364832.54242列管数11111入口温度/89511511540出口温度/951151154025相比于改造前，总管路长度减少 84m，为了保证改造后杀菌强度不低于改造前，将生产流量由原来的 2t/h 调整为 1.5t/h，改造前后杀菌强度可见（图 5a，图 5b）。模型构建后的验证是至关重要的，因为工业生产中依赖模型的计算结果来证明决策的合理性。本研究以黄桃燕麦果酱为原料，进行试产评估，以验证模型的准确性。我们监控了黄桃燕麦果酱在改造前后的管式杀菌机内部实际运行过程中的压降（图 5c，图 5d），结果显示：改造前系统总压降由67bar 下降至 48bar，可以满足系统管路承压需求，实现连续化生产。综上，本研究提出的果酱管式杀菌机杀菌强度和压降理论计算模型，可以准确地评估果酱理论压降和受热强度，可用于指导管式杀菌机设备改造和生产可行性分析。图 5a 管式杀菌机改造前处理流量为 2.0t/h 时的杀菌强度。b 管式杀菌机改造后处理流量为 1.5t/h 时的杀菌强度。c 和 d 分别为黄桃燕麦果酱改造前和改造后在果酱杀菌机系统内部实际运行过程中的压降。Fig.5(a)Sterilization intensity of the tubular sterilization machinebefore modification with a processing flow rate of 2.0t/h.(b)Steril-ization intensity of the tubular sterilization machine after modifica-tion with a processing flow rate of 1.5t/h.(c)Pressure drop of peachoat jam inside the jam sterilization machine system during actual op-eration before modification.(d)Pressure drop of peach oat jam in-side the jam sterilization machine system during actual operation af-ter modification.3 3结论结论本研究强调了果酱杀菌过程杀菌强度和压降对于常温液态奶制品生产的重要性，并基于果酱管式杀菌机设备结构和基础物理学公式建立其计算模型。本研究首次公开了高粘度果酱管式杀菌机改造前后设备总压降和整机杀菌强度评估方法。基于这些计算模型和方法，生产企业无需进行额外的经济投入，即可完成果酱管式杀菌机设备改造前后压降和微生物安全性评估，并且这些理论和方法在本研究中进行了实践和验证。这些结论对深入了解管式杀菌机结构，实现果酱无菌化加工具有重要意义。482023，Vol.26，No.4应用研究饮 料 工 业参考文献：1上海普丽盛三环食品设备工程有限公司.果粒的无菌添加技术及及应用J.饮料工业，2020，23（3）:83-84.2陈文.非牛顿流体腈纶原液管道压力降计算J.化工与医药工程，2022，43（4）：6.3刘殿宇.套管式杀菌机的应用设计J.饮料工业，2017，20（1）：2.4刘殿宇.杀菌机设计中的问题分析J.饮料工业，2018，21（6）：3.5中国石油化工集团公司.SHT 3035-2018 石油化工工艺装置管径选择导则S.北京：中国标准出版社，2018.6RYANG，J H.，KIM N H，LEE B S，et al.Inactivation of bacilluscereus spores in a tsuyu sauce using continuous ohmic heating withfive sequential elbow-type electrodesJ.Journal of Applied Microbi-ology，2016，120（1）：175-184.7IMPE J V，SMET C，SMET C，et al.State of the art of nonther-mal and thermal processing for inactivation of micro-organismsJ.Journal of Applied Microbiology，2018，125（11）：16-35.8TOLEDO R T.Fundamentals of food process engineeringM.NewYork：Springer，2007.9WICKHAM，H，AVERICK M，BRYAN J，et al.Welcome to the Ti-dyverseJ.Journal of Open Source Software 4.43（2019）：1686.10QIAN He，LIU Chang-hong，KOJO E.，et al.Quality and safety as-surance in the processing of Aloe vera gel juiceJ.Food Control，2005，16（2）：95-104.11RASPOR，P.Total food chain safety：how good practices can con-tribute?JTrends in Food Science&Technology，2008，19（8）：405-412.12SCHLOSS P D，LARGET B R，HANDELSMAN J.Integrationof microbial ecology and statistics：A test to compare gene librar-iesJ.Applied and Environmental Microbiology，2004，70（9）：5485-5492.13TOLEDO R T，SINGH R K，KONG F.Fundamentals of food pro-cess engineeringM.Springer，Cham，2018：245-276.14SORNETTE D，DAVIS A B，IDE K，et al.Algorithm for modelvalidation：Theory and applicationsJ.Proceedings of the NationalAcademy of Sciences，2017，104（16）：6562-6567.49