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果酱管式杀菌机杀菌强度及压降推算模型的利用钻研2023-09-06

在日益升级的消费海潮中，消费者对个性化、差距化乳制品的需要不休提高，而在发酵乳制品中增长果泥、带颗粒的果酱，获得吃得爽、嚼得到的直接感触，逐步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。目前在发酵乳制品中增长果酱原料重要选取无菌双线法实现，选取独立的管式杀菌机别离处置基料及果酱原料后在线无菌混合，确保产品最佳杀菌效能；果酱原料属于非牛顿流体，其在超高温处置过程中在管路中的压力降重要为管路摩擦压力降、速度压力降及静压力降之和，物料的粘度、杀菌机流量、管径、弯优等均对其系统压力产生显著影响，同时由于分歧类型的果酱其粘度存在显著差距，在产品设计及工业化转化过程当选择高粘度果酱易出现因系统压力升高，进料泵动力不及导致杀菌机断料，而选择低粘度果酱难以保障出产过程中颗粒的均匀性。因而，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出产成本的关键成分。

现代杀菌机不是只针对单一种类物料进行杀菌，往往一机多用，即统一杀菌机上实现多种产品的杀菌工作，这就必要杀菌机在设计时提出一个比力复杂的杀菌工艺，两全多个出产种类，以满足分歧消费者对于分歧口味的需要。因而，新产品上市过程中，往往必要对管式杀菌机进行刷新，以满足分歧粘度果酱出产需要。为满足高粘度酸奶在管式杀菌机内部的通过性，凭据压降推算公式，能够通过降低管路长度或降低出产流量来实现。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功夫，进而影响果酱中微生物灭活成效。因而，在对果酱管式杀菌机进行刷新过程中，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。

本钻研凭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推算模型。通过对9种分歧类型果酱动力学粘度进行检测，带入模型推算理论杀菌强杜纂压降。选择一种拥有代表性的高粘度果酱，评估该果酱在管式杀菌机内的现实运行压降和杀菌强度，实现管式杀菌机适配性评估及刷新。本钻研为果酱与管式杀菌机的匹配性评估奠定理论基础及科学凭据。

1 资料与步骤

1.1 资料与试剂

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。

1.3 步骤

1.3.1 模型搭建筹备

拔取分歧粘度果酱使用UHT杀菌机进行杀菌，杀菌过程纪录杀菌机整机的现实运行压力值、温度值和受热功夫，用于模型搭建。

1.3.2 果酱动力粘度测定

选取Anton Paar公司出产的Rheolab QC型旋转流变仪通过丈量旋转扭矩和速度来丈量果酱的粘度。由于果酱粘度受剪切速度、温度及压力等成分的影响，所以必要对果酱的动力粘度进行测定，进行分析时需拔取相宜的粘度回归模型。将冷藏果酱冷却至室温后，选择CC27型号丈量夹具，选取79312型号四叶片防沉降桨式转子，此转子适合丈量含颗粒物（>0.1mm）的有沉积偏差的样品。均匀采取果酱样品，移入丈量夹具量杯中，增长至内部刻度线即可。设置预剪切1min，剪切速度设定为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 果酱杀菌系统压降推算

果酱经过杀菌机管路后的系统压降由三部门组成，别离为静压力降ΔPa，速度压力降ΔPN和摩擦压力降ΔPf。总压力降ΔP=ΔPa+ΔPN+ΔPf，分歧压力降的推算步骤如下：

式中：

Z1—管路始端标高，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—果酱在管路内的均匀流速，m/s;

ρ—果酱的密度，kg/m3;

λ—摩擦系数；

L—管路长度，m;

D—表管路内直径，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路附件阻力系数取值

Table 1 Temperature heating diagram between two points

通常情况下摩擦系数λ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，因而λ的推算公式如下：

式中：

d—内管路内径，mm;

μ—果酱粘度，m Pa·s。

1.3.4 果酱杀菌强度推算

杀菌机杀菌过程中果酱物料被陆续处置，果酱在管路内经历了升温、恒和善冷却三个重要过程，所受杀菌强度可凭据以下公式进行推算;

式中：

T(t）—果酱冷点的温度，℃；

T(r）—杀菌尺度温度，℃；

Z—微生物耐热性特点值，℃；

t—加热功夫，s。

通常将Z值默以为10℃，此时当杀菌温度T(r）为121℃时，F值被称为尺度F值，用F0暗示。而T(t）果酱冷点的温度（℃）推算公式如下：

式中：

ti—某一段杀菌管路入口处的温度，℃；

x1—杀菌管路入口的功夫，min;

x2—杀菌管路出口的功夫，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，我们绘造了图1。图1为温度随功夫变动趋向线，A点和B点别离为杀菌管路入口和出口；图1b中玄色阴影部门面积为从A点到B点整个升温过程累积杀菌强度。

图1 两点间升温受热图

Fig.1 Temperature heating diagram between two points

1.3.5 数据分析及可视化

果酱杀菌压降和杀菌强度推算模型选取R说话（4.2.0版本）编译，数据可视化选取R说话tidyverse包执行。

2 了局与会商

2.1 果酱管式杀菌机压降推算模型的成立

为了评估高粘度果酱在已有杀菌机内部压降值，本钻研构建了果酱管式杀菌机压降推算模型。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力为单一，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。此表，与纯牛奶杀菌机区别之处在于，所有管线结构均为套管，即表管内部仅有一根内管，这样的结构重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 2 Basic information of jam high-temperature tubular sterilization machine

本钻研选取芒果燕麦果酱构建压降推算模型，首先对芒果燕麦果酱的动力粘度进行检测（图2a）。15℃前提下芒果燕麦果酱粘度8000m Pa·s，当果酱温度上升至90℃时，粘度降落至3000m Pa·s左右，批注温度对芒果果酱粘杜装响显著。结合管式杀菌机结构，推算得到杀菌机每段管线压降，并绘造压降提升示意图（图2b），由图可知，芒果燕麦果酱在管式杀菌机内部计算压降为58bar。为验证模型推算了局正确性，本钻研对芒果燕麦果酱进行出产线测试，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压力表计算压力达到59bar。理论推算压力与现实运行过程压力别离为58bar和59bar（图2d），推算误差为1.72%。综上，本钻研构建的压降推算模型，能够正确地预测果酱在管式杀菌机内部的压降。

图2 果酱管式杀菌机压降模型构建及验证

Fig.2 Construction and validation of pressure drop model for jam tubular sterilizer

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现实运行及理论；c.推算压降；d.理论与现实压降对比

(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.

2.2 果酱管式杀菌机杀菌强度推算模型的成立

用于水果原料加工的果酱出产技术可能是影响最终产品质量的关键节造点。食品安全的概想是若是依照适当的用处造备和/或食用，食品不会对消费者造成中伤。管式换热器比板式换热器成本低，但前者每单元长度的管拥有较低的热互换表表积，因而管式换热器管的长度是保障热传递的必要前提。热处置过程的推算取决于特按功夫和温度领域内微生物的灭活。在恒定温度下将微生物种群削减10倍所需的功夫称为该过程的D值，D值提供了微生物细胞或孢子耐热性的定量指标。凭据参考温度下D值的倍数量化提供给食品原料杀菌强度的过程，也称为参考前提下的F值。我们推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）。为评估杀菌机在处置果酱过程中微生物安全性，本钻研选取前文构建的杀菌强度推算模型，推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功夫变动的温度

Fig.3 Curves of temperature

（a）传热面积（b）和杀菌强度（c）曲线

(a) Heat transfer area (b)and sterilization intensity (c)Variations over time during the operation of jam tubular sterilization machine

2.3 果酱动力粘度及理论压降评估

模型的验证通常被界说为从预期用处的角度确定模型在多大水平上是真实数据的正确暗示过程。为评估压降和杀菌强度理论推算模型正确性，本钻研检测了9种常温液态奶制品中增长的果酱粘度（图4a，图4b）。这些果酱凭据其个性大体可分为两组：含颗粒/不含颗粒（或高粘度/低粘度）。从图4b可看出，9种果酱的粘杜纂温度有关性系数领域为：-0.75～-1，批注温度对果酱粘杜装响显著。此表，含颗粒果酱动力粘度曲线滑润度和有关性系数较低，原因是粘度检测过程中不规定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℃使爻度不及100m Pa·s，最高的4#样品20℃使爻度为10000m Pa·s。两种果酱巨大的粘度差距会导致杀菌过程中压降差距（图4c）�Ｄ芄豢吹�，9种果酱在杀菌机内部一样功夫流动过程中，理论压降领域为8.0bar～83.0bar�Ｋ伎嫉缴本苈飞杓瞥醒棺罡卟怀�50bar，因而必要降低果酱的粘度，或对果酱管式杀菌机进行刷新。

图4 果酱动力粘度及理论压降值（9种）

Fig.4 Dynamic viscosity and theoretical pressure drop values of 9types of jam.

（a)9种果酱表观；（b)9种果酱动力粘度；（c)9种果酱理论运行压降

(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

2.4 高粘度果酱试产及设备刷新

本钻研对果酱管式杀菌机进行刷新，以降低果酱杀菌过程中压降值。对于本钻研涉及的管式杀菌机来说，静压力降ΔPa重要来自杀菌机进出口高度差，杀菌机进出口是为了满足高低游设备衔接性，不拥有刷新可行性。由于杀菌机进出口流速根基一致，速度压力降ΔPN在现实推算中能够忽略。因而重要可通过调整ΔPf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。因而本钻研对果酱杀菌机进行了刷新（表3）。

表3 刷新后的果酱杀菌机基础信息

Table 3 Basic information of the modified jam sterilization machine

相迸宗刷新前，总管路长度削减84m，为了保障刷新后杀菌强度不低于刷新前，将出产流量由原来的2t/h调整为1.5t/h，刷新前后杀菌强度可见（图5a，图5b）。模型构建后的验证是至关沉要的，由于工业出产中依赖模型的推算了局来证明决策的合理性。本钻研以黄桃燕麦果酱为原料，进行试产评估，以验证模型的正确性。我们监控了黄桃燕麦果酱在刷新前后的管式杀菌机内部现实运行过程中的压降（图5c，图5d），了局显示：刷新前系统总压降由67bar降落至48bar，能够满足系统管路承压需要，实现陆续化出产。

综上，本钻研提出的果酱管式杀菌机杀菌强度和压铰讽论推算模型，能够正确地评估果酱理论压降和受热强度，可用于领导管式杀菌机设备刷新和出产可行性分析。

图5 a管式杀菌机刷新前处置流量为2.0t/h时的杀菌强度。b管式杀菌机刷新后处置流量为1.5t/h时的杀菌强度。c和d别离为黄桃燕麦果酱刷新前和刷新后在果酱杀菌机系统内部现实运行过程中的压降。

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.

3 结论

本钻研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出产的沉要性，并基于果酱管式杀菌机设备结构和基础物理学公式成立其推算模型。本钻研初次公开了高粘度果酱管式杀菌机刷新前后设备总压降和整机杀菌强度评估步骤�；谡庑┩扑隳Ｐ秃筒街�，出产企业无需进行额表的经济投入，即可实现绩酱管式杀菌机设备刷新前后压降和微生物安全性评估，并且这些理论和步骤在本钻研中进行了实际和验证。这些结论对深刻相识管式杀菌机结构，实现果酱无菌化加工拥有沉要意思。

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