基于牛奶巴氏殺菌的微波加熱裝置系統(tǒng)設(shè)計

陳艷+何聰

[摘 要]牛奶是一種營養(yǎng)價值極高的食品且其營養(yǎng)成分極易被人體吸收，也正因此牛奶成為微生物最好的培養(yǎng)基之一，因此在各種奶制品的生產(chǎn)過程中必須對原料奶進行殺菌處理。微波殺菌可使牛奶在短時問內(nèi)達到殺菌要求，并對牛奶中主要營養(yǎng)成分、風(fēng)味、色澤等都不會產(chǎn)生顯著影響。本文設(shè)計了一種牛奶巴氏殺菌系統(tǒng)，并將微波加熱技術(shù)應(yīng)用于此系統(tǒng)，有效解決牛奶巴氏殺菌傳熱效率問題，保證使牛奶殺菌的同時能夠讓管內(nèi)溫度均勻，從而防止牛奶在管內(nèi)變性、粘結(jié)等種種問題，為乳品安全和質(zhì)量提升作出貢獻，提高消費者對國產(chǎn)乳品的信心、也為國產(chǎn)乳品擴大市場、降低價格提供技術(shù)支持。

[關(guān)鍵詞]牛奶；巴氏殺菌；微波；營養(yǎng)成分

中圖分類號：TS252.41 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2016）15-0296-01

隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展和人民生活水平的提高，我國的乳制品生產(chǎn)、消費逐步取得進展，但與國際水平比有很大差距，與歐美比差距更大。我國牛奶人均消費很低受多種因素影響，除了收入水平、消費習(xí)慣外，高奶價、食品安全、國外乳品沖擊也是重要原因。2014年乳企大量進口奶粉、低價收購甚至拒收原奶迫使奶農(nóng)倒奶殺牛，導(dǎo)致原奶生產(chǎn)不能穩(wěn)步增長，走高價戰(zhàn)略使牛奶成為大眾送禮的首選，導(dǎo)致普通群眾牛奶消費不振等均進一步制約了中國乳品行業(yè)的發(fā)展。

牛奶巴氏殺菌系統(tǒng)系統(tǒng)研究有利于提高奶企的生產(chǎn)效率、降低非正常損耗和質(zhì)量風(fēng)險，對提高我國液態(tài)奶的生產(chǎn)質(zhì)量、效益、競爭力，提高奶農(nóng)、奶牛場、奶企效益，提升消費者的信心，擴大乳制品生產(chǎn)、消費，加快乳業(yè)發(fā)展，縮小與國際水平差距等有重要意義和作用。

一、 國內(nèi)外牛奶巴氏殺菌系統(tǒng)加熱裝置存在的問題

目前，國內(nèi)外液態(tài)奶生產(chǎn)線主流技術(shù)是板式換熱巴氏殺菌、改良的巴氏殺菌或超級巴氏殺菌生產(chǎn)線。巴氏消毒乳是經(jīng)低溫長時間（62℃ ～65℃ ，保持30分鐘）或經(jīng)高溫短時間（72℃～76℃ ，保持15秒；或80℃～85℃ ，保持10秒～15秒）處理方式生產(chǎn)的牛奶。為了達到殺菌溫度，往往采用過高的水浴加熱溫度，而不同的牛乳的物料特性，特別是熱敏性存在差距，導(dǎo)致以下難以克服的問題和缺陷：

⑴水浴溫度高于管道內(nèi)巴氏殺菌溫度，管壁處溫度高、溫度梯度大，蛋白質(zhì)易變性粘在管壁上形成污垢；

⑵管壁污垢降低傳熱效率，為保證殺菌溫度而提高水浴溫度（高達95℃甚至更高）使管壁處溫度梯度更大變性、粘結(jié)更嚴重；

⑶部分管壁污垢剝離、脫落進入流通環(huán)節(jié)造成質(zhì)量糾紛，既影響奶企的信譽、效益、市場，也影響了消費者對國產(chǎn)乳業(yè)的信心；

⑷清理不及時甚至可能導(dǎo)致變性蛋白質(zhì)堵塞管道導(dǎo)致停產(chǎn)，造成停產(chǎn)停工和無謂浪費；

⑸為提高傳熱、傳質(zhì)效率對管道進行處理（內(nèi)凸、波紋等），結(jié)構(gòu)復(fù)雜更不利于清洗、消毒。

這些問題的存在為企業(yè)帶來損失，企業(yè)就通過提高價格進行對沖。

二、 微波加熱系統(tǒng)的特點

微波殺菌、保鮮是微波熱效應(yīng)和非熱效應(yīng)共同作用的結(jié)果。因此，微波殺菌溫度低于常規(guī)方法，一般情況下，常規(guī)方法殺菌溫度要120℃-130℃，時間約1小時，而微波殺菌溫度僅要70℃-105℃，時間約90-180秒。

微波加熱相比其它加熱方法具有如下優(yōu)點：

1、時間短、速度快。常規(guī)熱力殺菌是通過熱傳導(dǎo)，對流或輻射等方式將熱量從食品表面?zhèn)髦羶?nèi)部。要達到殺菌溫度，往往需要較長時間。微波殺菌是微波能與食品及其細菌等微生物直接相互作用，熱效應(yīng)與非熱效應(yīng)共同作用，達到快速升溫殺菌作用，處理時間大大縮短，各種物料的殺菌作用一般在3-5分鐘。

2、低溫殺菌保持營養(yǎng)成份和傳統(tǒng)風(fēng)味。微波殺菌是通過特殊熱和非熱效應(yīng)殺菌，與常規(guī)熱力殺菌比較，能在比較低的溫度和較短的時間就能獲得所需的消毒殺菌效果。實踐表明，一般殺菌溫度在75-80℃就能達到效果，此外，微波處理食品能保留更多的營養(yǎng)成份和色、香、味、形等風(fēng)味，且有膨化效果。如常規(guī)熱力處理的蔬菜保留的維生素C是46-50%，而微波處理是60-90%，常規(guī)加熱豬肝維生素A保持為58%，而微波加熱為84%。

3、節(jié)約能源。常規(guī)熱力殺菌往往在環(huán)境及設(shè)備上存在熱損失，而微波是直接對食品進行作用處理，因而沒有額外的熱能損耗。此外，其電能到微波能的轉(zhuǎn)換效率在70-80%，相比而方，一般可節(jié)電30-50%。

三、 牛奶巴氏殺菌的微波加熱裝置系統(tǒng)設(shè)計

微波比其它用于輻射加熱的紅外線、遠紅外線等電磁波的波長更長，因此具有更好的穿透性。由于微波穿透力較強，微波加熱可以實現(xiàn)對牛奶的快速加熱。微波透入介質(zhì)時，由于介質(zhì)損耗引起的介質(zhì)溫度的升高，使介質(zhì)材料內(nèi)部、外部幾乎同時加熱升溫，形成整體熱源狀態(tài)，大大縮短了常規(guī)加熱中的熱傳導(dǎo)時間，當介質(zhì)損耗因數(shù)與介質(zhì)溫度呈負相關(guān)關(guān)系時，物料內(nèi)外加熱均勻一致。微波加熱不僅迅速，均勻。不需熱傳導(dǎo)過程，且具有自動熱平穩(wěn)性能，避免過熱，而且安全衛(wèi)生無污染，對食品的殺菌能力強。微波能是控制在金屬制成的加熱室內(nèi)工作，所以微波泄露被有效的抑制，沒有放射線危害和有害氣體排放，不產(chǎn)生余熱和粉塵污染。既不污染食物，也不污染環(huán)境。用微波輻射生物體時，除了產(chǎn)生微波熱效應(yīng)外，微波還能使生物體的生物活性得到抑制或激勵，即微波有非熱效應(yīng)或生物效應(yīng)。在相同溫度條件下，微波對細菌的致死率遠高于常規(guī)加熱，其系統(tǒng)設(shè)計圖所圖1所示。

該裝置提供一種受熱均勻、操作簡單、安全效果佳的牛奶巴氏殺菌系統(tǒng)微波加熱裝置。圖中包括有底板、安裝臺、微波發(fā)射機、旋轉(zhuǎn)電機Ⅰ、葉片Ⅰ、轉(zhuǎn)盤、進料斗、管道Ⅰ、管道Ⅱ、單向閥、水泵、管道Ⅲ、水箱、管道Ⅳ、管道Ⅴ、管道Ⅵ、冷卻箱、盤形管、管道Ⅶ、網(wǎng)板、旋轉(zhuǎn)電機Ⅱ、轉(zhuǎn)軸、葉片Ⅱ、收集箱和球形腔體，底板頂部從左至右依次設(shè)有安裝臺、水箱、冷卻箱、和收集箱，安裝臺上設(shè)有加熱裝置和水泵。在微波狀態(tài)下，水箱中的水受熱，在電機和水泵作用下進入球形腔體，在旋轉(zhuǎn)電機作用下使水進行加熱并攪拌均勻后進入管道，管道中的水溫將達到理想狀態(tài)，在此過程中進行牛奶的巴氏殺菌，完成之后進行冷卻降溫，到達收集箱。

四、結(jié)論

通過在相同時間、相近溫度下水浴與微波殺菌效果的比較，試驗結(jié)果表明微波殺菌效率更高，認為微波殺菌存在熱效應(yīng)，并且在高溫條件下微波殺菌比水浴殺菌具有更明顯的優(yōu)勢，表明熱效應(yīng)與非熱效應(yīng)可協(xié)同作用。試驗結(jié)果表明，隨著微波功率的增大、牛奶質(zhì)量的減小、殺菌時間的增長，菌落總數(shù)殘留量均減小。大腸菌群僅在微波功率為4kW條件下完全殺滅，表明微波對大腸菌群有極好的殺滅效果。各因素對牛奶中蛋白質(zhì)、乳糖、維生素C等營養(yǎng)成分均未造成明顯破壞。

參考文獻

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【2】傅大放，周濤，錢科.2003.生物固體微波殺菌及機理研究[J].微波學(xué)報.19（4）：70-72.