超高温瞬时灭菌在食品工业中的应用(DOC)

超高温瞬时灭菌在食品应用中的概述
（冯帆 2013级科工三班 222013324022010）
摘要：超高温杀菌技术是目前研究开发的高新技术之一，它具有节能高效、安全、经济以及更大限度保持食品天然的色、香、味的特点。

文中概述了超高温杀菌技术的原理以及其分类，简述了其在食品中的应用。

关键词：超高温瞬时灭菌食品加工杀菌设备
一、超高温瞬时灭菌的定义
超高温瞬时灭菌，又名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。

超高温杀菌最早用于乳品工业牛奶的杀菌作业。

1965年英国Burton 提出了详细的理论技术报告。

UHT杀菌装置的开发是由荷兰的斯托克公司在20世纪50年代初率研制，随后国际上又出现了许多类型的超高温处理装置。

20世纪60年代初，无菌装罐技术获得成功，促进了超高温杀菌与无菌装罐技术相结合，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，其应用范围不仅仅限于液体产品，目前已可应用于固液混合产品和固体粉状产品等。

杀菌装置也有很大的发展，如欧姆加热装置、气流式杀菌装置、塔式杀菌装置等的开发，进一步促进了超高温杀菌技术的发展。

超高温瞬时灭菌设备适用于鲜乳、果汁、饮料、棒冰、及冰淇淋浆料、酱油、豆浆、炼乳、酒类等液体物料的瞬时灭菌.
二、超高温灭菌的基本原理
超高温灭菌是把加热温度为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叫做超高温杀菌或者UHT杀菌。

其基本原理包括微生物热致死原理和如何最大限度地保持食品的原有风味及品质原理。

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，必然受到致命的伤害，且这种伤害随着时间的延长而加剧，直到死亡。

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[1]
三、超高温瞬时灭菌使微生物致死的理论依据
微生物的热致死率是加热温度和加热时间的函数。

3.1微生物的耐热性
微生物的耐热性受到下列因素的影响
（1）菌种和菌株；
（2）菌龄、培育条件、贮存环境；
（3）热处理的介质、食品成分如酸度；
（4）原始活菌数；
（5）热处理温度和时间(主导因素)。

3.2微生物的致死速率与D 值
在一定环境和温度下，微生物随时间而死亡时的活菌残存数是按指数递减或按对数周期下降的。

细菌任意时刻的致死速率可以用它残存活菌数下降一个对数周期所需的时间来表示，这便是图中D 值的概念。

D 值是这一直线斜率绝对值的倒数，即：
()
D D C C C B /1/10log 10log /23=-=''=斜率
D 值反映了细菌死亡的快慢。

D 值越大，细菌死亡的速度越慢，即细菌的耐热性越强；反之则死亡速度越快，耐热性越强。

D 值随其它影响微生物耐热性的因素而异，只有在这些因素固定不变的条件下，才能稳定不变。

如下图
3.3微生物的热力致死时间与Z 值
热力致死时间(Thermal Death Time=TDT)——表示热力致死温度保持不变的条件
下，完全杀灭某菌种的细胞或芽孢所必需的最短热处理时间。

微生物热力致死的时间随致死温度而异，两者的关系曲线称为热力致死时间曲线，下图表达了不同热力致死温度下细菌芽孢的相对耐热性。

Z 值表达了热致死时间缩短一个对数周期所要求的热处理温度升高的度数，它在数值上等于热力致死时间曲线的直线斜率绝对值的倒数。

即：
Z Z Z TDT TDT A A /1/)10log 10(log /)'log (log 12=-=-=斜率
如果某种微生物在121℃时的TDT 值为F ，则该微生物在任何杀菌温度下的TDT 值可表示为
Z T F TDT /)121()(log -=-
四、超高温杀菌技术的分类
按照物料与加热介质直接接触与否UHT 杀菌过程可分为 间接式加热法和直接混合式加热法两类：
4.1直接混合式加热可按两种方式进行。

一是注射式，即将高压蒸汽注射到待杀菌物料中，二是喷射式，即将待杀菌的物料喷射到蒸汽中。

4.2间接加热UHT 瞬时杀菌是通过采用高压蒸汽和加热介质，热量经过壁面传递给物料。

间接式加热超高温杀菌的换热器的传热率至关重要。

通常的间壁式换热器有板式、管式、和搅拌式等。

4.3两种方式的优缺点
直接式：高粘度，固体也可以。

因直接加热，加工制品会变薄。

时间短，品质高；因局部加热会产生变性；同时因直接加热，加工制品会变薄。

间接式：以中粘度，小制品为对象；适用性广。

效率高，运转费低，降低物料粘度。

高粘度，固体也可以；有时会产生滞留；设备投资大，运转费用高。

直接式加热和间接式加热超高温杀菌有着不同的温度变化规律，直接式加热超高温杀菌实现了瞬间加热和冷却，食品品质的热破坏更小，但也存在加热蒸气成为食品成分的问题[2]。

五、超高温瞬时灭菌在食品工业中的应用
5.1超高温杀菌在果酒加工中的应用
果酒酒精度低,糖度较高,营养丰富,微生物容易生长、繁殖,预防果酒生物危害是保证产品质量的重要环节。

果酒加热时间过长感官指标变差,通常果酒不采用瓶装后巴氏灭菌,而通过灌装前高温瞬时灭菌,适当添加防腐剂控制生物危害。

5.2超高温杀菌在豆奶加工的应用
近年来, 随着研究的不断深入, 大豆对人体健康的良好作用不断被发现和证实, 豆制品受到了前所未有的重视, 很多国家正在出现豆制品消费热潮。

豆浆作为传统豆制品中一个重要品种，其营养丰富，蛋白质消化率高；不含乳糖, 弥补了牛奶会引起乳糖不耐症的不足；不含胆固醇，具有多种生理活性物质, 特别适合于受“富贵病”困扰的现代人。

因此，越来越受到重视,销售量快速增长。

但是豆浆属于高蛋白产品，各种氨基酸组成齐全，微生物极易生长繁殖。

刚生产的豆浆在常温下保质时间不超过4 h，此后其pH 值开始下降，豆浆开始变质，逐步变得黏稠，最后呈现豆花状。

豆浆的保鲜问题一直是业内的技术难题。

产品保质期短，不利于远距离销售，并且安全性较低，容易腐败变质，抑制了豆浆企业的发展和壮大，成为制约豆浆大规模产业化的瓶颈之一。

为了延长豆浆的保质期，一是添加防腐剂，二是高温杀菌。

经超高温瞬间灭菌后, 豆奶中的细菌在瞬间高温下全部被杀死, 并且最大限度地保存了豆奶中的营养成分。

无菌包装控制了产品的微生物数量, 所得到的产品可在室温下保存3 个月, 在4 ℃条件下保存4 个月到6个月。

产品由于不需要添加任何防腐剂, 流通过程中不需要冷藏环境, 因此降低了成本, 更为重要的是避免了因为冷链发生意外导致的产品变质问题, 极大地提高了企业的经济效益[3-4]。

5.3超高温灭菌在牛奶加工中的应用
超高温灭菌牛奶是杀死所有能导致产品变质的微生物，并采用无菌灌装，因而产品具有卫生、安全、保质期长又无需冷藏等优点。

但是超高温牛奶佑质期一般长达6个月，从营养的角度，超高温牛奶采用高温瞬时杀菌、无菌灌装工艺，虽然热处理温度高，但灭菌时间只有2-4秒，因而牛奶中的营养成分损失不大；又因为超高温产品采用阻光、阻氧化和阻水的包装，因而产品在储存期内，营养成分基本上也可以保证稳定。

从风味方面，超高温产品在刚加工好后的1-2周里，会有比较明显的蒸煮味，这主要是由于牛奶中的部分蛋白加热后生成少量的含硫化合物造成。

但是这种蒸煮味在生产后2-3周后逐渐消失，此后进入饮用的最佳时期[5-6]。

5.4超高温杀菌在饮料加工中的应用
在饮料中的杀菌，需要快速有效的热传导，通常采用刮板式或管式热交换器。

在饮料杀菌采用超高温杀菌有：①温度控制准确②设备精密温度高，杀菌时间极短，杀菌效果显著，③引起的化学变化少，适于连续自动化生产[7]。

5.5超高温杀菌在茶饮料加工中的应用
由于微生物对高温的敏感性远大于大多数食品成分对高温的敏感性，故UHT杀菌能在很短的时间内有效地杀死微生物，能保持食品应有的品质。

采用UHT杀菌可避免茶饮料杀菌后色泽加深和风腐剂也可增强杀菌效果或减少杀菌时间。

杀菌罐装时充人氮气或二氧化碳、排除氧气，可稳定茶汤中的儿茶素物质。

在热灌装过程中采用UHT杀菌，没有密封后的二次杀菌，故可以减少产品的受热时间，降低对风味和营养成分的热破坏，同时降低了本道味劣变，加人维生素C 可加强杀菌效果，加人防腐剂也可增强杀菌效果或减少杀菌时间。

杀菌后罐装时充人氮气或二氧化碳、排除氧气，可稳定茶汤中的儿茶素物质。

在热灌装过程中采用UHT杀菌，没有密封后的二次杀菌，故可以减少产品的受热时间，降低对风味和营养成分的热破坏，同时降低了本道工序中易发生的瓶破和跳盖等[8]。

六、超高温瞬时灭菌设备
超高温瞬时灭菌设备适用于鲜乳、果汁、饮料、棒冰、及冰淇淋浆料、酱油、豆浆、炼乳、酒类等液体物料的瞬时灭菌，也可以用于流体物料的灭菌。

设备的进料与出料均采用三通旋塞，流量可以根据需要调节。

6.1 设备特点
1)结构紧凑，占地面积小。

2)清洗系统CIP清洗。

（见四）
3)连续生产，物料受热时间极短，故可获得优质产品。

4)采用超高温灭菌，灭菌效果特佳。

5)与高压均质机串联使用，应用范围广，比如适宜于高粘度物料灭菌。

6)由于设计上采用冷、热料的两次热交换具有很高的热能再利用率。

6.2杀菌流程
根据被处理物料性质的不同，UHT灭菌的工艺流程也不完全相同，但主要的关键步骤相同，即物料都由泵送至预热器预热，然后进入直接蒸汽喷射杀菌器，杀菌后的物料经闪蒸去除部分水分和降低温度之后进入下道工序。

下面以消毒牛乳为例介绍一下直接混合式加热UHT过程的若干典型装置流程。

原料乳由输送泵送经第一预热器进入第二预热器。

牛乳升温至75～80℃。

然后在压力下由泵抽送，经调节阀送到直接蒸汽喷射杀菌器。

在该处，向牛乳喷入压力为1MPa的蒸汽，牛乳瞬间升温至150℃。

在保温管中保持这一温度2到4s 时间，然后进入真空膨胀罐中闪蒸，使牛乳温度急剧冷却到77℃左右。

热的蒸汽由水冷凝器冷凝，真空泵使真空罐始终保持一定的真空度。

真空罐内部汽化时，喷入牛乳的蒸汽也部分连同闪蒸的蒸汽一起从真空罐中排出，同时带增可能存在于牛乳中的一些臭味。

另外，从真空罐排出的热蒸汽中的一部分进入管式热交换的第一预热器中用来预热原料。

6.3设备清洗方法
6.3..1水洗：
当物料行将结束时，即用水清洗，以排除残余物料，同时更有利于下一步的清水液清洗，当设备流出的水变清时，水洗可停止。

6.3.2碱洗：
在贮槽中将苛性钠（烧碱NaOH）配制成2%浓度碱性洗涤液，加热至80℃，循环约30分钟。

碱液能溶解蛋白质、乳脂肪并使积垢发泡松散。

如积垢比较严重，可适当提高溶液的浓度。

6.3.3水洗:
排除碱液后用水冲洗约15分钟。

6.3.4酸洗：
将硝酸（HNO3）配制成2%浓度的酸性洗涤剂加热至80℃，循环约30分钟。

6.3.5水洗：
排除酸液后用水冲洗约15分钟，以防再生产时物料受到残留酸液的污染。

冲洗完毕，应清水注满，以备下次操作。

6.3.6洗涤注意事项：
在洗涤过程中，切勿使用氯化物配制洗涤剂。

清水要求含氯量小于50mg/L，水质较差地区、洗涤时必须将水净化。

七、超高温灭菌工艺的最新研究
连续式液体-颗粒无菌工艺是在液体超高温杀菌工艺基础上试图扩展应用范围，用于处理固体食品。

超高温杀菌原理应用与固体和高粘度食品存在困难，因为热传递会增加达到商业无菌的时间。

连续式液体-颗粒无菌工艺基本方法是将固体颗粒与液体混合后再管道内运动，通过热交换器、保温管和冷却器，完成超高温杀菌流程。

加热器和冷却器通常是板式换热器或者套管式换热器。

但是以下几个问题限制了它的应用：（1）由于运动颗粒中心温度是无法测定、载流使用非流体以及表面换热器系数的预测和分析计算困难，目前还没有可靠的杀菌参数计算方法；（2）即使使用高粘度液体，流动中的颗粒与液体、颗粒与颗粒之间的运动仍不能够完全同步，形成了停留时间分布，使得不同位置和不同形状得颗粒的处理时间不同，大大增加了杀菌计算和控制的复杂性，目前还没有可靠的停留时间分布计算方法；（3）由于液体颗粒同时运动，相对运动速度较小，同时液体粘度较大，液体颗粒间的表面换热系数相对较小，使得颗粒升温速度受到限制，增加传热时间，降低了产品品质；（4）为了使液体-颗粒同时运动，需要较大的液体粘度，同时固液比和颗粒尺寸也受到限制，限制了可加工品种的范围：连续式液体-颗粒无菌工艺的杀菌效果验证方法一直不被DFA承认。

作为一种关系到公众健康的生产技术，没有可靠验证方法是一种致命缺陷，致使该技术长时期处于试用阶段，没有获得进一步的发展。

所知被FDA承认的液体-颗粒无菌工艺仅有一种[9]。

主要参考文献：
[1] 高福成等现代食品工程高新技术北京中国轻工业出版社,1997,282～287
[2] 李玉锋,马涛.食品杀菌新技术[J].农产品加工学刊,2007,1(1):89～91.
[3] 芝崎勋许有成译新编食品杀菌工艺学北京农业出版社，1990,66～77
[4] 关秀丽.高新技术在食品杀菌工艺中的应用[J]. 食品与机械，1994,33～34.
[5] 夏震超高温灭菌乳加工系统及其灭菌原理中国乳品工业，1988,26（2）28～31
[6] 徐守渊乳品超高温杀菌和无菌包装北京轻工业出版社,1986,14～174
[7] 张华.食品杀菌高新技术及其应用[J].饮料,2007,4:20～22.
[8] 王志岚,李书魁,许勇泉,尹军峰. 茶饮料灭菌技术概述.蚕桑茶叶通讯.2009
[9] 王云阳,岳田利等. 食品杀菌新技术[J]. 西北农林科技大学学报（自然科学版),2002,9:99～102.。