超高温灭菌技术

超高温灭菌技术孔旭东MG10020021常见的物理灭菌包括热灭菌和冷灭菌。热灭菌是食品工业常用的方法，有巴氏灭菌法、高温短时灭菌发和超高温瞬时灭菌法。巴氏灭菌法（Pasteurization）：中低温、62-65℃（低于100℃）、30min；高温短时灭菌（HTST）：低于100℃，保持时间短；超高温瞬时灭菌（UltraHighTemperaturetreated，UHT）：120℃，几秒。UHT发展史UHT杀菌法是英国于1956年首创，在1957-1965年间，通过大量的基础理论研究和细菌学研究后，才用于生产。UHT杀菌装置由荷兰的斯托克（Stork）公司在20世纪50年代初率先研制。20世纪60年代初，无菌灌装技术获得成功，与UHT技术相结合，从而发展了灭菌乳生产工艺。20世纪80年代后，UHT技术得到了更大的发展。欧姆加热装置、气流式杀菌装置、塔式杀菌装置等的研发又进一步发展了UHT技术。超高温瞬时（UHT）灭菌关于超高温瞬时（UHT）灭菌，尚没有十分明确的定义。习惯上，把加热温度为135-150℃，加热时间为2-8s，加热后产品达到商业无菌要求的杀菌过程称为UHT灭菌。是利用热交换或直接蒸汽加热杀菌后，迅速冷却的杀菌方法，该方法杀菌效率高，物料产生的物理、化学变化小。商业杀菌（Sterilization）又简称为杀菌,是一种较强烈的热处理形式，通常是将食品加热到较高的温度并维持一定的时间以达到杀死所有致病菌、腐败菌和绝大部分微生物,一般也能钝化酶，使杀菌后的食品达到较长的贮期。但它同样对食品营养成分和品质的破坏也较大。超高温瞬时灭菌机原理按照微生物的一般热致死原理，当微生物在高于其耐受温度的热环境中时，必然受到致命的伤害。加热促使微生物死亡的原因是由于高温导致蛋白质的不可逆变化，随后一些球蛋白变得不溶解，酶失去活力，从而造成新陈代谢能力的丧失，因此，细胞内蛋白质凝固变性的难易程度直接关系到微生物的耐热性，而且这与杀菌条件的选择密切相关。大量实验证明，微生物的热致死率是加热温度和受热时间的函数。原理在温度有效范围内，热处理温度每升高10℃，细菌孢子的破坏速度提高11-30倍，温度越高，起灭菌效果越明显，而引起的化学变化很小。当温度在135℃以上，灭菌效果比褐变的增长要快得多。140℃，3.6s条件下灭菌效果与褐变速率之比为2000：1。150℃，0.36s条件下，灭菌效果与褐变速率之比为5000：1。温度超过150℃，相应加热时间必须随之更加缩短，这在工艺操作上，准确控制这样的加热时间是很困难的，因为流速稍微有一点波动就会产生相当的影响。微生物的耐热性腐败菌是食品杀菌的对象，其耐热性与食品的杀菌条件有直接关系。影响微生物耐热性的因素有：热处理时的环境条件⑴pH和缓冲介质：由于多数微生物生长于中性或偏碱性环境中，过酸和过碱均使微生物耐热性下降，故一般芽孢在极端pH值环境下的耐热性较中性条件下差。⑵离子环境：食品中低浓度食盐对芽孢耐热性有一定的增强作用，但随着浓度提高到8%以上会使芽孢耐热性减弱。盐浓度的这种保护作用和削弱作用的程度，常随腐败菌种类而异。；⑶水分活性：芽孢对干热的抵抗能力比湿热的强，湿热下的蛋白质变性和干热下的氧化是导致芽孢死亡的原因，由于氧化所需要的能量高于蛋白质变性的能量，故相同热处理条件下，湿热下的杀菌效果高于干热。；⑷其它介质组成分。典型芽孢菌的耐热性参数具体原理食品热破坏的反应动力学在某一热处理条件下食品成分的热处理破坏速率；温度对这些破坏反应的影响。微生物、酶等热处理的破坏速率热破坏反应一级反应动力学对数规律—dc=kcdt式中：-dc/dt为食品成分浓度减少的速率；c为食品成分的浓度；k为一级反应的速率常数。Dc11010010001000010000001020304050加热时间（min）微生物浓度（每毫升芽孢数）微生物热力致死速率曲线Logc=logc1-kt2.303斜率为–k/2.303=-1/D，则D=2.303kD值又称为指数递减时间(decimalreductiontime)，为微生物的活菌数每减少90％，也就是在对数坐标中c的数值每跨过一个对数坐标值所对应的时间(min)。D值的标注：DrD值的意义：D值的大小可以反映微生物的耐热性。在同一温度下比较不同微生物的D值时，D值愈大，表示在该温度下杀死90%微生物所需的时间愈长，即该微生物愈耐热。例：110℃热处理时，原始菌数为1×104，热处理3分钟后，残存的活菌数为1×10，求该热处理的D值。TDT值：热力致死时间(thermaldeathtime)值，是指在某一恒定温度条件下，将食品中的某种微生物活菌（细菌和芽孢）全部杀死所需要的时间（min）。试验时以热处理后接种培养时无微生物生长作为全部活菌已被杀死的标准。TDT值的意义：细菌热力致死时间随致死温度而异，它表示了不同热力致死温度时细菌及芽孢的相对耐热性。热破坏反应和温度的关系Log(TDT1/TDT)=T-T1zLog(D1/D)=T-T1zZ值：指D值(或TDT值)变化90%所对应的温度变化值(℃或F)。即Z值为热力致死时间按照1/10，或10倍变化时相应的加热温度变化(℃)。Z值越大，因温度上升而取得的杀菌效果就越小。热破坏反应和温度的关系Log(TDT1/TDT)=T-T1zLog(D1/D)=T-T1zZ值：指D值(或TDT值)变化90%所对应的温度变化值(℃或F)。即Z值为热力致死时间按照1/10，或10倍变化时相应的加热温度变化(℃)。Z值越大，因温度上升而取得的杀菌效果就越小。热破坏反应和温度的关系Log(TDT1/TDT)=T-T1zLog(D1/D)=T-T1zZ值：指D值(或TDT值)变化90%所对应的温度变化值(℃或F)。即Z值为热力致死时间按照1/10，或10倍变化时相应的加热温度变化(℃)。Z值越大，因温度上升而取得的杀菌效果就越小。Z110100100093.599104.5110115.5121126.5致死温度（℃）热力致死时间（min）微生物热力致死速率曲线•温度系数及其与Z值的关系LogQ=10zZ=10LogQD值、F值和Z值三者之间的关系F值：通常采用121.1℃为标准温度，与此对应的热力致死时间称为F值，又称杀菌致死值。因此,在121.1℃时求得的D值乘以n就可得到F值；定义：标准下，将一定数量的某种微生物全部杀死所需的时间；意义：可用来比较相同Z值细菌的耐热性，F值越大，则表明细菌耐热性越强加热对食品营养成分和感官品质的影响有益的结果：热处理可以破坏食品中不需要的成分；可改善营养素的可利用率；提高蛋白质的可消化性；加热也可改善食品的感官品质等。不良后果：这主要体现在食品中热敏性营养成分的损失和感官品质的劣化。常见的UHT产品新鲜及再制液体奶浓缩乳稀奶油风味乳饮料发酵乳制品(酸奶，酪乳等）乳清饮料冰淇淋混合料甜食（蛋奶沙司和布丁）蛋白饮料●豆乳饮料●婴儿食品●果蔬汁●饮料，如茶、咖啡●以植物油脂为基料料的顶端料（加蛋糕）和奶油●汤类●沙司●果菜泥类●佐料类●营养液类下列牛奶不适宜于超高温处理：（1）酸度偏高的牛奶；（2）牛奶中盐类平衡不适当；（3）牛奶中含有过多的乳清蛋白(白蛋白、球蛋白等)，即初乳。另外牛奶的细菌数量，特别对热有很强抵抗力的芽孢及数目应该很低。超高温瞬时灭菌设备常见的超高温瞬时灭菌设备主要有板式间接加热式、自由降膜式和螺旋管（套管）式三大类。核心部件：加热器加热方式目前多以蒸汽、过热蒸汽和加压热水为加热介质，分为间接加热和直接加热。间接加热有板式、管式、管板式和刮板式；直接加热有蒸汽直接喷射式和牛乳注入式。盘管式超高温瞬时灭菌机采用套管结构，高效、节能、操作简单。由于物料受热时间极短，营养损失很小，广泛应用于鲜奶、豆奶、果汁、饮料、酱油、酒类、冰淇淋浆料等流体物料的灭菌。本设备换热器采用套管结构，高效、节能、操做简单。由于物料受热时间极短，营养损失小广泛的应用于鲜奶、酱油、饮料、酒类等流体物料的杀菌或灭菌，也可用于豆浆、流体药物的杀菌或灭菌。如于均质机配套，还可用于高粘物料的场合，如甜菜炼乳等。生产处理量：1～4t/h；杀菌温度：115~145℃；保温时间：4~6s；控制方式：手动控制、自动控制。设备主要配置：物料泵、平衡桶、加热器、双套盘管换热器、温度控制及记录仪(可选)、电器控制系统(可选)等。欧姆加热法超高温灭菌是借助通入电流使食品内部产生热量达到杀菌目的的一种杀菌方法。原理：所用电流为50-60Hz的低频交流电。根据Joule定律，在被加热食品内部的任一点，通入电流所产生的热量为Q=K（gradV.*gradVo)=K（ΔＶ）exp2Q——某点处的单位加热功率，(W/m2)K——某点处的电导率(S/m)。S——电导单位西门子，它等于电阻欧姆的倒数gradV——为任一点处的电位梯度，V/m影响欧姆杀菌的因素(一)电导率与温度(二)电场强度E、频率f(三)流体在加热器中所处的位置与受热程度的关系(四)操作因子与欧姆加热速率的关系欧姆杀菌的优点1.可生产新鲜、大颗粒产品；2.不需任何热交换表面；3.可连续操作；4.热量在液体中产生，不需借助其液体的传导或对流；5.过程易于控制，可立即终止或启动。可用于低酸或高酸性食品的加工。欧姆杀菌杀菌流程1.装置的预杀菌用电导率与待杀菌物料相接近的一定浓度的硫酸钠溶液的循环来实现。通过电流加热使之达到一定温度，通过压力调节阀控制杀菌压力，对欧姆加热组件、保温管和冷却管进行杀菌。其它设备用传统的蒸汽杀菌法。用电导率与产品相近的硫酸钠的作为预杀菌溶液的目的是避免设备从预杀菌到产品杀菌期间电能的大幅度调整，以保持平稳而有效地过度，且温度波动小。2.预杀菌液冷却后排出，引入待杀菌物料。通过反压阀利用无菌空气和气氮气调节压力。3.物料加热杀菌，再依次进入保温管、冷却管和贮罐，供无菌充填。4.生产结束后，切断电源，先用清水清洗，再用80℃的2%的氢氧化溶液循环清洗30min。板式灭菌机板式灭菌机板式超高温瞬时杀菌机组（UHT）是引进国外超高温瞬时杀菌技术而研制开发出的新一代流体物料瞬时杀菌设备。本设备采用现代工程领域广泛应用的新型高效BR、BP板式换热器，通过物料和过热蒸汽（或过热水）的非接触性热交换，使流体物料在较短时间内达到要求的杀菌温度，传热效果好且易于清洗，是牛奶、果汁、蔬菜汁等流体饮料的理想灭菌设备。本机可用于液态饮料食品无菌热处理系统，利用高精度的产品/水的温差控制，产品由平衡罐输入到换热器内，在加热部分与杀过菌的热物料进行换热后使冷物料温度升到预定值，然后通过由蒸汽加热的水间接加热到120℃，物料在持温管中维持所要求的温度一段时间进行超高温杀菌，从持温管出来后与进入机内的冷物料进行热交换，最后在冷却段冷却到预定的出口温度，整个过程均在封闭状态下进行，达到保证物料的生物稳定性的目的。并可根据用户对物料加热、保温、杀菌冷却的不同工艺要求进行特定的组合系统设计，以满足各类工艺要求。本机组主要由物料平衡及输送系统、板式换热系统、物料管路系统、热水管路系统、蒸汽管路系统、热水加热系统、物料自动回流系统、温度自动控制及电器控制系统等系统组成。整机具有如下特点：1.物料和加热介质均在各自的密封系统中通过非接触性热交换实现加热，确保物料卫生安全；2.杀菌时间短，可确保物料的营养成份不被破坏；3.整机全部采用食品级不锈钢材料，确保达到国家对饮料食品设备安全卫生指标要求；4.传热效果好，热回收率高，耗能少；5.主要控制元件、阀件及配套件均选用进口件，使用寿命长；6.采用PLC控制，可对物料各段的加热温度、热水温度、蒸汽流量调节等实行自动控制，并设有物料自动回流系统，确保物料100%达到灭菌效果；7.结构简单，易于清洗，操作方便，维修费用低。管式超高温杀菌机UHT智能化超高温灭菌