在日益升級(jí)的消費(fèi)浪潮中，消費(fèi)者對(duì)個(gè)性化、差異化乳制品的需求不斷提高，而在發(fā)酵乳制品中添加果泥、帶顆粒的果醬，獲得吃得爽、嚼得到的直接感受，逐漸受到消費(fèi)者的青睞和認(rèn)可，成為液態(tài)食品增長(zhǎng)的新動(dòng)力、新方向。目前在發(fā)酵乳制品中添加果醬原料主要采用無菌雙線法完成，采用獨(dú)立的管式殺菌機(jī)分別處理基料及果醬原料后在線無菌混合，確保產(chǎn)品最佳殺菌效率；果醬原料屬于非牛頓流體，其在超高溫處理過程中在管道中的壓力降主要為管道摩擦壓力降、速度壓力降及靜壓力降之和，物料的粘度、殺菌機(jī)流量、管徑、彎頭等均對(duì)其系統(tǒng)壓力產(chǎn)生顯著影響，同時(shí)由于不同類型的果醬其粘度存在顯著差異，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)及工業(yè)化轉(zhuǎn)化過程中選擇高粘度果醬易出現(xiàn)因系統(tǒng)壓力升高，進(jìn)料泵動(dòng)力不足導(dǎo)致殺菌機(jī)斷料，而選擇低粘度果醬難以保證生產(chǎn)過程中顆粒的均勻性。因此，殺菌機(jī)系統(tǒng)壓力降與果醬物料粘度的匹配性成為影響產(chǎn)品上市及后續(xù)生產(chǎn)成本的關(guān)鍵因素。
現(xiàn)代殺菌機(jī)不是只針對(duì)單一品種物料進(jìn)行殺菌，往往一機(jī)多用，即同一殺菌機(jī)上完成多種產(chǎn)品的殺菌任務(wù)，這就需要?dú)⒕鷻C(jī)在設(shè)計(jì)時(shí)提出一個(gè)比較復(fù)雜的殺菌工藝，兼顧多個(gè)生產(chǎn)品種，以滿足不同消費(fèi)者對(duì)于不同口味的需求。因此，新產(chǎn)品上市過程中，往往需要對(duì)管式殺菌機(jī)進(jìn)行改造，以滿足不同粘度果醬生產(chǎn)需求。為滿足高粘度酸奶在管式殺菌機(jī)內(nèi)部的通過性，依據(jù)壓降計(jì)算公式，可以通過降低管路長(zhǎng)度或降低生產(chǎn)流量來實(shí)現(xiàn)。殺菌機(jī)管路和流量的調(diào)整，會(huì)影響果醬在殺菌機(jī)內(nèi)部受熱溫度和受熱時(shí)間，進(jìn)而影響果醬中微生物滅活效果。因此，在對(duì)果醬管式殺菌機(jī)進(jìn)行改造過程中，評(píng)估果醬受熱情況，前提是確保產(chǎn)品安全，降低因微生物而引發(fā)的質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)。
本研究依據(jù)管式殺菌機(jī)結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)物理學(xué)公式，構(gòu)建果醬管式殺菌機(jī)系統(tǒng)壓降和殺菌強(qiáng)度計(jì)算模型。通過對(duì)9種不同類型果醬動(dòng)力學(xué)粘度進(jìn)行檢測(cè)，帶入模型計(jì)算理論殺菌強(qiáng)度與壓降。選擇一種具有代表性的高粘度果醬，評(píng)估該果醬在管式殺菌機(jī)內(nèi)的實(shí)際運(yùn)行壓降和殺菌強(qiáng)度，完成管式殺菌機(jī)適配性評(píng)估及改造。本研究為果醬與管式殺菌機(jī)的匹配性評(píng)估奠定理論基礎(chǔ)及科學(xué)依據(jù)。
果醬江西奕方農(nóng)業(yè)科技有限公司。
Rheolab QC旋轉(zhuǎn)流變儀奧地利安東帕有限公司；果醬殺菌機(jī)。
選取不同粘度果醬使用UHT殺菌機(jī)進(jìn)行殺菌，殺菌過程記錄殺菌機(jī)整機(jī)的實(shí)際運(yùn)行壓力值、溫度值和受熱時(shí)間，用于模型搭建。
采用Anton Paar公司生產(chǎn)的Rheolab QC型旋轉(zhuǎn)流變儀通過測(cè)量旋轉(zhuǎn)扭矩和速度來測(cè)量果醬的粘度。由于果醬粘度受剪切速率、溫度及壓力等因素的影響，所以需要對(duì)果醬的動(dòng)力粘度進(jìn)行測(cè)定，進(jìn)行分析時(shí)需選取合適的粘度回歸模型。將冷藏果醬冷卻至室溫后，選擇CC27型號(hào)測(cè)量夾具，采用79312型號(hào)四葉片防沉降槳式轉(zhuǎn)子，此轉(zhuǎn)子適合測(cè)量含顆粒物（>0.1mm）的有沉積傾向的樣品。均勻采取果醬樣品，移入測(cè)量夾具量杯中，添加至內(nèi)部刻度線即可。設(shè)置預(yù)剪切1min，剪切速率設(shè)定為100s-1，每隔15s讀取一次數(shù)據(jù)，共讀取60個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，測(cè)定15℃升溫至90℃過程中果醬的動(dòng)力粘度曲線。
果醬經(jīng)過殺菌機(jī)管路后的系統(tǒng)壓降由三部分組成，分別為靜壓力降ΔPa，速度壓力降ΔPN和摩擦壓力降ΔPf。總壓力降ΔP=ΔPa+ΔPN+ΔPf，不同壓力降的計(jì)算方法如下：
式中：
Z1—管道始端標(biāo)高，m;
Z2—終端標(biāo)高，m;
u1—始端的果醬流速，m/s;
u2—終端的果醬流速，m/s;
u—果醬在管道內(nèi)的平均流速，m/s;
ρ—果醬的密度，kg/m3;
λ—摩擦系數(shù)；
L—管道長(zhǎng)度，m;
D—外管道內(nèi)直徑，m;
K—管件、閥門等阻力系數(shù)。
K的取值見表1。
一般情況下摩擦系數(shù)λ的取值與雷諾數(shù)Re有關(guān)，果醬殺菌過程屬于在圓管內(nèi)進(jìn)行層流運(yùn)動(dòng)，因此λ的計(jì)算公式如下：
式中：
d—內(nèi)管道內(nèi)徑，mm;
μ—果醬粘度，m Pa·s。
殺菌機(jī)殺菌過程中果醬物料被連續(xù)處理，果醬在管道內(nèi)經(jīng)歷了升溫、恒溫和冷卻三個(gè)主要過程，所受殺菌強(qiáng)度可依據(jù)以下公式進(jìn)行計(jì)算;
式中：
T(t）—果醬冷點(diǎn)的溫度，℃；
T(r）—?dú)⒕鷺?biāo)準(zhǔn)溫度，℃；
Z—微生物耐熱性特征值，℃；
t—加熱時(shí)間，s。
通常將Z值默認(rèn)為10℃，此時(shí)當(dāng)殺菌溫度T(r）為121℃時(shí)，F(xiàn)值被稱為標(biāo)準(zhǔn)F值，用F0表示。而T(t）果醬冷點(diǎn)的溫度（℃）計(jì)算公式如下：
式中：
ti—某一段殺菌管路入口處的溫度，℃；
x1—?dú)⒕苈啡肟诘臅r(shí)間，min;
x2—?dú)⒕苈烦隹诘臅r(shí)間，min;
y1—?dú)⒕苈啡肟诘臏囟龋妫?/p>
y2—?dú)⒕苈烦隹诘臏囟龋妗?/p>
為了便于理解，我們繪制了圖1。圖1為溫度隨時(shí)間變化趨勢(shì)線，A點(diǎn)和B點(diǎn)分別為殺菌管路入口和出口；圖1b中黑色陰影部分面積為從A點(diǎn)到B點(diǎn)整個(gè)升溫過程累積殺菌強(qiáng)度。
果醬殺菌壓降和殺菌強(qiáng)度計(jì)算模型采用R語言（4.2.0版本）編譯，數(shù)據(jù)可視化采用R語言tidyverse包執(zhí)行。
為了評(píng)估高粘度果醬在已有殺菌機(jī)內(nèi)部壓降值，本研究構(gòu)建了果醬管式殺菌機(jī)壓降計(jì)算模型。構(gòu)建模型所用殺菌機(jī)基礎(chǔ)管路信息見表2。該殺菌機(jī)與純奶超高溫殺菌機(jī)結(jié)構(gòu)相比較為簡(jiǎn)單，共有5段管線，可實(shí)現(xiàn)果醬原料從8℃入口，到115℃殺菌，之后降低至25℃出口。此外，與純牛奶殺菌機(jī)區(qū)別之處在于，所有管線結(jié)構(gòu)均為套管，即外管內(nèi)部?jī)H有一根內(nèi)管，這樣的結(jié)構(gòu)主要是為了滿足顆粒型果醬在殺菌機(jī)內(nèi)部的通過性。
Table 2 Basic information of jam high-temperature tubular sterilization machine
本研究采用芒果燕麥果醬構(gòu)建壓降計(jì)算模型，首先對(duì)芒果燕麥果醬的動(dòng)力粘度進(jìn)行檢測(cè)（圖2a）。15℃條件下芒果燕麥果醬粘度8000m Pa·s，當(dāng)果醬溫度上升至90℃時(shí)，粘度下降至3000m Pa·s左右，表明溫度對(duì)芒果果醬粘度影響顯著。結(jié)合管式殺菌機(jī)結(jié)構(gòu)，計(jì)算得到殺菌機(jī)每段管線壓降，并繪制壓降提升示意圖（圖2b），由圖可知，芒果燕麥果醬在管式殺菌機(jī)內(nèi)部合計(jì)壓降為58bar。為驗(yàn)證模型計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確性，本研究對(duì)芒果燕麥果醬進(jìn)行生產(chǎn)線測(cè)試，芒果燕麥果醬在管式殺菌機(jī)內(nèi)部壓力運(yùn)行曲線見圖2c。由圖可知，殺菌機(jī)管路內(nèi)部PT10和PT31壓力表合計(jì)壓力達(dá)到59bar。理論計(jì)算壓力與實(shí)際運(yùn)行過程壓力分別為58bar和59bar（圖2d），計(jì)算誤差為1.72%。綜上，本研究構(gòu)建的壓降計(jì)算模型，可以準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)果醬在管式殺菌機(jī)內(nèi)部的壓降。
圖2 果醬管式殺菌機(jī)壓降模型構(gòu)建及驗(yàn)證
Fig.2 Construction and validation of pressure drop model for jam tubular sterilizer
a.芒果燕麥果醬動(dòng)力粘度曲線；b.芒果燕麥在果醬管式殺菌機(jī)實(shí)際運(yùn)行及理論；c.計(jì)算壓降；d.理論與實(shí)際壓降對(duì)比
(a)Mango oat jam dynamic viscosity curve.(b)Pressure drop calculation for mango oat jam in the actual operation of the tubular sterilization machine and theoretical calculation.(c)Calculate pressure drop.(d)Comparison of the oretical and actual pressure drops.
用于水果原料加工的果醬生產(chǎn)技術(shù)可能是影響最終產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵控制點(diǎn)。食品安全的概念是如果按照適當(dāng)?shù)挠猛局苽浜?或食用，食品不會(huì)對(duì)消費(fèi)者造成傷害。管式換熱器比板式換熱器成本低，但前者每單位長(zhǎng)度的管具有較低的熱交換表面積，因此管式換熱器管的長(zhǎng)度是保證熱傳遞的必要條件。熱處理過程的計(jì)算取決于特定時(shí)間和溫度范圍內(nèi)微生物的滅活。在恒定溫度下將微生物種群減少10倍所需的時(shí)間稱為該過程的D值，D值提供了微生物細(xì)胞或孢子耐熱性的定量指標(biāo)。根據(jù)參考溫度下D值的倍數(shù)量化提供給食品原料殺菌強(qiáng)度的過程，也稱為參考條件下的F值。我們計(jì)算了果醬管式殺菌機(jī)傳熱面積，該殺菌機(jī)傳熱面積達(dá)到29m2（圖3b）。為評(píng)估殺菌機(jī)在處理果醬過程中微生物安全性，本研究采用前文構(gòu)建的殺菌強(qiáng)度計(jì)算模型，計(jì)算果醬管式殺菌機(jī)的殺菌強(qiáng)度（圖3a，圖3c），由圖可知當(dāng)殺菌溫度為107℃，參考溫度為90℃，殺菌機(jī)流量為2m3/h時(shí)，整機(jī)殺菌強(qiáng)度為170min。
圖3 果醬管式殺菌機(jī)運(yùn)行過程中隨時(shí)間變化的溫度
Fig.3 Curves of temperature
（a）傳熱面積（b）和殺菌強(qiáng)度（c）曲線
(a) Heat transfer area (b)and sterilization intensity (c)Variations over time during the operation of jam tubular sterilization machine
模型的驗(yàn)證通常被定義為從預(yù)期用途的角度確定模型在多大程度上是真實(shí)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確表示過程。為評(píng)估壓降和殺菌強(qiáng)度理論計(jì)算模型準(zhǔn)確性，本研究檢測(cè)了9種常溫液態(tài)奶制品中添加的果醬粘度（圖4a，圖4b）。這些果醬根據(jù)其特性大致可分為兩組：含顆粒/不含顆粒（或高粘度/低粘度）。從圖4b可看出，9種果醬的粘度與溫度相關(guān)性系數(shù)范圍為：-0.75～-1，表明溫度對(duì)果醬粘度影響顯著。此外，含顆粒果醬動(dòng)力粘度曲線平滑度和相關(guān)性系數(shù)較低，原因是粘度檢測(cè)過程中不規(guī)則顆粒在粘度計(jì)夾具中擠壓受力不均勻。其中，7#百香果醬的粘度最低，20℃時(shí)粘度不足100m Pa·s，最高的4#樣品20℃時(shí)粘度為10000m Pa·s。兩種果醬巨大的粘度差異會(huì)導(dǎo)致殺菌過程中壓降差異（圖4c）。可以看到，9種果醬在殺菌機(jī)內(nèi)部相同時(shí)間流動(dòng)過程中，理論壓降范圍為8.0bar～83.0bar。考慮到殺菌機(jī)管路設(shè)計(jì)承壓最高不超過50bar，因此需要降低果醬的粘度，或?qū)u管式殺菌機(jī)進(jìn)行改造。
Fig.4 Dynamic viscosity and theoretical pressure drop values of 9types of jam.
（a)9種果醬外觀；（b)9種果醬動(dòng)力粘度；（c)9種果醬理論運(yùn)行壓降
(a)Appearance of 9 types of jam;(b)Dynamic viscosity of 9 types of jam;(c)Theoretical operating pressure drop of 9 types of jam
本研究對(duì)果醬管式殺菌機(jī)進(jìn)行改造，以降低果醬殺菌過程中壓降值。對(duì)于本研究涉及的管式殺菌機(jī)來說，靜壓力降ΔPa主要來自殺菌機(jī)進(jìn)出口高度差，殺菌機(jī)進(jìn)出口是為了滿足上下游設(shè)備連接性，不具有改造可行性。由于殺菌機(jī)進(jìn)出口流速基本一致，速度壓力降ΔPN在實(shí)際計(jì)算中可以忽略。因此主要可通過調(diào)整ΔPf來降低總壓降。由模型（1）可知，管路長(zhǎng)度L和流速u對(duì)摩擦壓力降影響顯著。因此本研究對(duì)果醬殺菌機(jī)進(jìn)行了改造（表3）。
相比于改造前，總管路長(zhǎng)度減少84m，為了保證改造后殺菌強(qiáng)度不低于改造前，將生產(chǎn)流量由原來的2t/h調(diào)整為1.5t/h，改造前后殺菌強(qiáng)度可見（圖5a，圖5b）。模型構(gòu)建后的驗(yàn)證是至關(guān)重要的，因?yàn)楣I(yè)生產(chǎn)中依賴模型的計(jì)算結(jié)果來證明決策的合理性。本研究以黃桃燕麥果醬為原料，進(jìn)行試產(chǎn)評(píng)估，以驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性。我們監(jiān)控了黃桃燕麥果醬在改造前后的管式殺菌機(jī)內(nèi)部實(shí)際運(yùn)行過程中的壓降（圖5c，圖5d），結(jié)果顯示：改造前系統(tǒng)總壓降由67bar下降至48bar，可以滿足系統(tǒng)管路承壓需求，實(shí)現(xiàn)連續(xù)化生產(chǎn)。
綜上，本研究提出的果醬管式殺菌機(jī)殺菌強(qiáng)度和壓降理論計(jì)算模型，可以準(zhǔn)確地評(píng)估果醬理論壓降和受熱強(qiáng)度，可用于指導(dǎo)管式殺菌機(jī)設(shè)備改造和生產(chǎn)可行性分析。
圖5 a管式殺菌機(jī)改造前處理流量為2.0t/h時(shí)的殺菌強(qiáng)度。b管式殺菌機(jī)改造后處理流量為1.5t/h時(shí)的殺菌強(qiáng)度。c和d分別為黃桃燕麥果醬改造前和改造后在果醬殺菌機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部實(shí)際運(yùn)行過程中的壓降。
Fig.5 (a) Sterilization intensity of the tubular sterilization machine before modification with a processing flow rate of 2.0t/h.(b) Sterilization intensity of the tubular sterilization machine after modification with a processing flow rate of 1.5t/h.(c) Pressure drop of peach oat jam inside the jam sterilization machine system during actual operation before modification.(d) Pressure drop of peach oat jam inside the jam sterilization machine system during actual operation after modification.
本研究強(qiáng)調(diào)了果醬殺菌過程殺菌強(qiáng)度和壓降對(duì)于常溫液態(tài)奶制品生產(chǎn)的重要性，并基于果醬管式殺菌機(jī)設(shè)備結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)物理學(xué)公式建立其計(jì)算模型。本研究首次公開了高粘度果醬管式殺菌機(jī)改造前后設(shè)備總壓降和整機(jī)殺菌強(qiáng)度評(píng)估方法。基于這些計(jì)算模型和方法，生產(chǎn)企業(yè)無需進(jìn)行額外的經(jīng)濟(jì)投入，即可完成果醬管式殺菌機(jī)設(shè)備改造前后壓降和微生物安全性評(píng)估，并且這些理論和方法在本研究中進(jìn)行了實(shí)踐和驗(yàn)證。這些結(jié)論對(duì)深入了解管式殺菌機(jī)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)果醬無菌化加工具有重要意義。
