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1、【食品工業(yè)論文】超高壓食品加工設(shè)備現(xiàn)狀及趨勢摘要:從食品加工工業(yè)中常用的超高壓處理設(shè)備出發(fā),分別從結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作方式2方面對現(xiàn)階段常用超高壓加工設(shè)備進(jìn)行探討。在分析中國超高壓食品加工設(shè)備現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上,總結(jié)目前食品行業(yè)超高壓加工的存在問題,并對超高壓食品加工的前景進(jìn)行展望。關(guān)鍵詞:超高壓;食品工業(yè);設(shè)備食品超高壓技術(shù)(Ultra-highpressureprocessing,UHP),亦稱高靜壓水技術(shù)(Hydrostaticpressure,HHP)1,是當(dāng)前備受食品加工行業(yè)重視,并投入大量精力研發(fā)的一種食品加工新技術(shù)。所謂食品超高壓技術(shù),就是將被加工食品以一定形狀或規(guī)格進(jìn)行包裝,置于超高壓設(shè)備
2、滅菌缸中,基于帕斯卡原理和LeChatelier原理2,利用傳壓介質(zhì)(通常是液態(tài))在100MPa以上壓力下對食品保壓一段時(shí)間從而達(dá)到殺菌、滅酶、改善食品特性等作用3,延長食品保存時(shí)間的一種食品物理加工手段。超高壓食品加工屬于非熱加工,即在常溫或者低溫下進(jìn)行。加工后的食品殺菌效果好、口感獨(dú)特、色澤亮麗、營養(yǎng)幾乎無損失4,具有傳統(tǒng)熱加工方法不可比擬的技術(shù)優(yōu)勢。超高壓食品加工的基本原理是壓力對微生物的致死作用。超高壓會(huì)導(dǎo)致微生物的形態(tài)結(jié)構(gòu)、生物化學(xué)反應(yīng)、基因機(jī)制以及細(xì)胞壁發(fā)生多方面的變化,影響微生物原有的生理活動(dòng)的機(jī)能,微生物原有功能被破壞甚至發(fā)生不可逆變化5。1超高壓食品加工設(shè)備簡介當(dāng)前市場中超高
3、壓食品加工設(shè)備主要有高壓系統(tǒng)和加壓-卸壓系統(tǒng)組成。加壓-卸壓系統(tǒng)在工作時(shí)為高壓系統(tǒng)提供傳壓介質(zhì)的升壓、降壓服務(wù)。高壓系統(tǒng)的滅菌缸是整個(gè)設(shè)備的核心工作部分。滅菌缸的工作壓力一般在150600MPa,部分滅菌缸的最高工作壓力可達(dá)1000MPa。巨大壓力致使滅菌缸工作環(huán)境惡劣,進(jìn)而導(dǎo)致滅菌缸筒體應(yīng)力分布復(fù)雜。不僅如此,頻繁加壓-卸壓的工作過程使得滅菌缸還承受循環(huán)載荷6。因此,對超高壓食品加工設(shè)備的滅菌缸從材料選擇到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求都非常嚴(yán)格,成為超高壓食品加工設(shè)備研究與開發(fā)的重要一環(huán)。另外,超高壓食品加工設(shè)備密封結(jié)構(gòu)也是影響整個(gè)超高壓設(shè)備正常工作的重要因素,其密封好壞直接影響整個(gè)超高壓設(shè)備的整體性能。根
4、據(jù)超高壓食品的加工特點(diǎn),超高壓食品加工設(shè)備的密封結(jié)構(gòu)還應(yīng)具有開關(guān)頻繁、密封性好、拆裝簡單、容易維護(hù)等特點(diǎn)7。2超高壓食品加工設(shè)備分類2.1按照結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分類。8-9超高壓食品加工裝置工作時(shí)產(chǎn)生高壓的方式主要分為內(nèi)部直接加壓和外部間接加壓。2.1.1內(nèi)部加壓式。內(nèi)部加壓裝置分為分體式內(nèi)部加壓裝置和一體式內(nèi)部加壓裝置兩大類。分體式內(nèi)部加壓式結(jié)構(gòu)如圖1所示。液壓泵7泵出油液,通過換向閥6,作用于增壓缸5,滅菌缸與增壓缸整體在一個(gè)承壓框架內(nèi),在推動(dòng)5活塞向上運(yùn)動(dòng)時(shí),頂住滅菌缸2,向上運(yùn)動(dòng)的期間,滅菌缸內(nèi)產(chǎn)生超高壓,對缸中的食物進(jìn)行處理。整個(gè)裝置在實(shí)際運(yùn)行的過程中需要在高壓端蓋1和滅菌缸2之間添加超高壓動(dòng)
5、密封。1.高壓缸蓋;2.滅菌缸;3.承壓框架;4.增壓缸;5.增壓活塞;6.換向閥;7.液壓泵;8.油箱圖1分體式內(nèi)部加壓裝置一體式內(nèi)部加壓裝置結(jié)構(gòu)簡圖如圖2所示,結(jié)構(gòu)較分體式稍有不同。在油泵和三位四通換向閥作用下,推動(dòng)增壓活塞4向上運(yùn)動(dòng),與高壓缸蓋1相互作用,對滅菌缸2中的食品進(jìn)行處理。整個(gè)裝置活塞4與高壓缸蓋1、滅菌缸2之間需要加超高壓動(dòng)密封。1.高壓缸蓋;2.滅菌缸;3.承壓框架;4.增壓活塞;5.增壓缸;6.換向閥;7.液壓泵;8.油箱圖2一體式內(nèi)部加壓裝置。2.1.2外部加壓式。外部加壓式加工裝置結(jié)構(gòu)如圖3所示。該裝置分別獨(dú)立地設(shè)置增壓缸和高壓容器。如圖3所示,在液壓泵和三位四通換向
6、閥的作用下,將傳壓介質(zhì)泵入增壓缸5,增壓缸5在活塞的作用下將傳壓介質(zhì)壓入超高壓滅菌缸,對缸內(nèi)的食物進(jìn)行處理。高壓端蓋1和滅菌缸2之間要添加超高壓動(dòng)密封結(jié)構(gòu)。1.高壓缸蓋;2.滅菌缸;3.承壓框架;4.油箱;5.增壓油缸;6.換向閥;7.液壓泵;8.開關(guān)圖3外部加壓裝置2.2按照加工方式分類。2.2.1間歇式加工方式。10當(dāng)前用于工業(yè)生產(chǎn)的超高壓滅菌裝置大多數(shù)為間歇式加工方式。圖4展示的是一種典型的間歇式超高壓食品加工裝置。加工過程中,油缸9向上運(yùn)動(dòng),帶動(dòng)上密封頭7向上運(yùn)動(dòng)后,油缸12將滅菌缸5和承壓框架3沿著滑軌2移動(dòng),露出滅菌缸5口部,將包裝好的食物置于滅菌缸5后,再沿滑軌移動(dòng)到預(yù)定位置,排
7、出空氣后,系統(tǒng)進(jìn)行加壓,保壓一段時(shí)間,卸壓。油缸12會(huì)將滅菌缸5與承壓框架3沿滑軌推出,取出滅菌缸中的食物。工作過程中滅菌缸中殘留的空氣一般對殺菌動(dòng)力學(xué)和殺菌效果不會(huì)產(chǎn)生太大影響,僅增加升壓時(shí)間。間歇式超高壓滅菌裝置雖然可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械化操作,具有安全系數(shù)高、穩(wěn)定性好等特點(diǎn),但是從整個(gè)加工過程來看,在裝料、加壓、保壓、卸料等操作過程中存在大量時(shí)間和能量的耗費(fèi),導(dǎo)致加工成本增加。整個(gè)設(shè)備亟待結(jié)構(gòu)優(yōu)化和工作過程改進(jìn)以改善當(dāng)前這種狀況。2.2.2半連續(xù)式加工。11半連續(xù)式加工是近幾年新出現(xiàn)的一種加工方式。這種加工方式有效減小間歇式加工中多余加工時(shí)間的消耗,提高生產(chǎn)效率。圖5展示一種半連續(xù)式的超高壓食品加
8、工裝置。該超高壓滅菌裝置分為兩組設(shè)備,每一組的3個(gè)工位上放置左、中、右3個(gè)位置滅菌缸,在加工過程中,左位滅菌缸4完成裝料后,推到中位,堵頭7完成對滅菌缸4的兩端密封。在排盡空氣后系統(tǒng)對滅菌缸內(nèi)進(jìn)行充介質(zhì)升壓,之后保壓一段時(shí)間,卸壓。堵頭7卸掉對滅菌缸4的密封,滅菌缸4進(jìn)入右位,取出滅菌缸4中已經(jīng)加工好的食物。完成一個(gè)工作過程。每一個(gè)容器組的整個(gè)加工過程由3個(gè)滅菌缸同時(shí)進(jìn)行工作,3個(gè)位置的滅菌缸同時(shí)進(jìn)行裝料、加壓滅菌、卸壓、取料,整個(gè)過程設(shè)備實(shí)現(xiàn)半連續(xù)化加工,降低生產(chǎn)成本。2.2.3連續(xù)式加工。在實(shí)際的工業(yè)生產(chǎn)中,真正的食品用超高壓連續(xù)化食品加工裝備需要解決物料的連續(xù)加壓、保壓、卸壓3個(gè)關(guān)鍵工作
9、過程問題。因此至今還未出現(xiàn)用于工業(yè)化生產(chǎn)的超高壓連續(xù)式處理設(shè)備。因此,僅在已發(fā)布的專利中出現(xiàn)超高壓連續(xù)物料滅菌裝置,具體原理是將被加工食品裝入料倉中,從左端的滅菌缸口依次將料倉推入,壓力大小從左到右進(jìn)行階梯遞增,在中間壓力最大位置對料倉進(jìn)行定時(shí)保壓,再從右端滅菌口中依次推出,具體結(jié)構(gòu)簡圖如圖6所示。3超高壓食品加工設(shè)備現(xiàn)狀及未來發(fā)展趨勢超高壓技術(shù)被稱為當(dāng)今世界十大科技之一,具有重大的潛在市場和發(fā)展前景。20世紀(jì)70年代,國內(nèi)開始投入對超高壓食品的研究12。經(jīng)過近半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展,中國在超高壓技術(shù)的理論體系、機(jī)理研究、技術(shù)開發(fā)已經(jīng)取得一系列成果,但距離國外發(fā)達(dá)國家在很多方面還具有較大的差距,仍存在
10、幾個(gè)主要問題。3.1超高壓設(shè)備的技術(shù)難度較大。超高壓食品加工設(shè)備對材料選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)密封、運(yùn)行壽命安全性等方面提出嚴(yán)格要求,一次性解決這些問題不僅先期投入成本較高,更為隨后的產(chǎn)業(yè)化帶來層層障礙。3.2超高壓加工過程復(fù)雜。13超高壓加工主要是利用超高壓對食物中的病毒、細(xì)菌及芽孢進(jìn)行殺菌滅活處理,但不同食物需要不同的處理參數(shù)(主要為處理壓力和保壓時(shí)間)。部分食物中的芽孢要達(dá)到預(yù)定殺滅效果,對工藝參數(shù)的要求較高。同時(shí),目前缺乏相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)來對超高壓食品處理工藝最佳工藝參數(shù)的評定,給工藝參數(shù)研究造成一定混亂。3.3國外的設(shè)備價(jià)格相對較貴。14在一些關(guān)鍵技術(shù)還無法取得突破的情況下,國外設(shè)備高昂的價(jià)格對生產(chǎn)企業(yè)的設(shè)備引進(jìn)和技術(shù)消化吸收帶來瓶頸。進(jìn)入21世紀(jì)以來,超高壓加工技術(shù)以其獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢在食品行業(yè)占據(jù)一席之地,甚至被世人譽(yù)為“21世紀(jì)十大尖端科技”之一。時(shí)至今日,超高壓加工技術(shù)涉及水產(chǎn)品、液體飲料、肉制品、有效成分提取等諸多方面。經(jīng)過超高壓技術(shù)處理過的食品,符合綠色食品的生產(chǎn)要求,并迎合消費(fèi)者對于健康食品的需求,其廣袤的市場前景不言而喻。當(dāng)前對于超高壓加工技術(shù)的理論基礎(chǔ)、設(shè)備開發(fā)、產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的研究正方興未艾,在這些方面進(jìn)行深入開發(fā)研究,將有助于中國超高壓加工技術(shù)高效產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。作者:徐圣捷 趙東 高祥 劉承 黃偉 單位:濟(jì)南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院