含果肉顆粒飲品超高溫UHT 滅菌技術(shù)

茅嘉惠 楊亞軍

目前國內(nèi)以及東南亞市場含顆粒飲料行業(yè)發(fā)展?jié)摿薮?，但由于設(shè)備投資、技術(shù)條件、產(chǎn)品特性等因素，國內(nèi)外暫無可連續(xù)性滅菌處理30%以上高濃度的含顆粒飲料的設(shè)備制造商。很多客戶只能選擇滅菌鍋、殺菌釜，但其滅菌能力低，批次滅菌處理量受限以及維護費用昂貴等問題困擾著諸多飲料生產(chǎn)商。隨著國內(nèi)經(jīng)濟技術(shù)的快速發(fā)展，企業(yè)的創(chuàng)新能力得到進一步提升，我們消化吸收其他領(lǐng)域新技術(shù)，在顆粒飲品行業(yè)實現(xiàn)新的突破，將超高溫UHT 滅菌技術(shù)引入設(shè)計，研發(fā)出適合30%以上高濃度的含顆粒飲料連續(xù)性滅菌處理設(shè)備，可處理椰果顆粒、切塊番茄、蘆薈顆粒、果粒橙、果肉纖維飲料等飲品。在保證滅菌效率及產(chǎn)品貨架期的情況下，不斷優(yōu)化顆粒升溫殺菌和流動過程中造成的破損率和感官指標(biāo)等，提升飲品口感，在顆粒口感和質(zhì)量穩(wěn)定、換熱效率高、日常維護簡單、節(jié)能環(huán)保等方面不斷深入研究和探索。

1 含果肉顆粒飲品滅菌處理方式現(xiàn)狀

目前飲料行業(yè)有殺菌釜、蒸煮鍋兩種方式較為普遍。殺菌釜對灌裝后的塑料瓶裝或易拉罐裝飲料，放置在殺菌筐內(nèi)再整體投進殺菌釜內(nèi)進行高溫噴淋滅菌；蒸煮鍋對灌裝前的含顆粒物料進行小批量的加壓加熱攪拌蒸煮，物料加熱滅菌后再進行無菌灌裝。

1.1 殺菌釜滅菌處理

缺點是包裝材料必須選用耐高溫型材料，同時包裝材料成本和產(chǎn)品PH 值也有關(guān)系，產(chǎn)品PH 值偏中性所需要滅菌溫度也就越高，而相對于包裝材料成本投入也就越高。

1.2 蒸煮鍋滅菌處理

蒸煮鍋和殺菌釜一樣，設(shè)備滅菌能力低，每個批次處理量受限，不能連續(xù)性供應(yīng)，生產(chǎn)中間需要置換。另外物料通過蒸煮鍋加熱，會出現(xiàn)溫度分布不均勻，有時鍋內(nèi)中心溫度不達標(biāo)，可能會導(dǎo)致滅菌不徹底等污染風(fēng)險，并且物料通過鍋壁傳熱升溫過程中，煮鍋內(nèi)表面容易出現(xiàn)烤糊結(jié)垢現(xiàn)象，導(dǎo)致清洗困難。

2 綜合上述設(shè)備的普遍缺點催生了顆粒UHT 的研發(fā)

2.1 研發(fā)顆粒UHT的目標(biāo)

目標(biāo)就是可處理PH 值偏中性產(chǎn)品，且顆粒有效濃度≥30%（例如100 kg 成品中含果肉顆粒30 kg）及規(guī)格≤5×5×5 mm 正方形顆粒，能做到顆粒和料液混合后一起進行132～137 ℃超高溫滅菌處理[1]，并在這一溫度下保持殺菌不小于1s 超高溫瞬時滅菌，以完全破壞顆粒和料液中可生長的微生物和芽孢，以最大限度的減小產(chǎn)品在物理、化學(xué)及感官上的變化，并迅速降溫到25 ～30 ℃常溫狀態(tài)，為后端無菌灌裝設(shè)備提供連續(xù)性的、源源不斷的無菌含顆粒物料，使其灌裝后成品能達到商業(yè)無菌的水平，可在非冷藏條件下進行儲存、運輸和銷售。

2.2 顆粒UHT研發(fā)過程中技術(shù)難題攻克

2.2.1 顆粒長時間吸液后容易脹大引起破損的難題攻克

不同的顆粒產(chǎn)品都存在一定的吸收水分自我膨脹的過程，如規(guī)格尺寸≤5×5×5 mm 正方形“椰果顆?！?。滅菌處理前的顆粒如果長期浸泡于液體中，自身體積將會增大至飽和體積，這種飽和體積狀態(tài)下的顆粒在流動過程中，經(jīng)過設(shè)備的管道、閥門、輸送泵、換熱器等不銹鋼材質(zhì)的堅硬部件，就會容易出現(xiàn)脫水或破裂等情況出現(xiàn)，最終造成產(chǎn)品的感官和口感上的缺失。針對顆粒長時間吸脹問題，采用在線混合比的方式，通俗點講也就是后端設(shè)備需要多少量，前端混合系統(tǒng)就按濃度要求混合多少量。而前端的果肉顆粒在線混合系統(tǒng)可設(shè)置在UHT 上，減少輸送過程中因管道、輸送泵、閥門等裝置造成的顆粒輸送破損?；旌虾蟮暮w粒料液，可直接進入UHT 平衡緩沖罐內(nèi)暫存供后端設(shè)備連續(xù)使用，同時混合系統(tǒng)可根據(jù)設(shè)備投資成本的高低，提出兩種混合比方式解決方案。

通過流量計控制配比（圖一），分別通過質(zhì)量流量計檢測顆粒量，電磁流量計檢測料液量，再通過混合器進行混合后流入UHT 平衡罐內(nèi)暫存。這種混合方式投資成本略高一些，但顆粒和料液的混合精度控制的很好。

圖一

圖二

通過容積罐控制混比（圖二），比如容積罐滿容積100 L 體積，混合濃度要求60%舉例，首先通過電磁流量計檢測40 L 的料液量，先輸入到100 L 容積罐中，再向罐內(nèi)補充60 L 顆粒物，至滿容積后罐底閥打開流入UHT 平衡罐內(nèi)暫存。這種混合方式投資成本略低一些，混合精度控制也非常好。

2.2.2 顆粒輸送泵的選型難題攻克

顆粒輸送問題一直困擾著很多客戶，選用合適輸送裝置至關(guān)重要，很多顆粒產(chǎn)品在通過輸送泵輸送過程中就會出現(xiàn)大量破損，接下來再談一下顆粒UHT 輸送泵的選擇。所有類型的輸送泵都會對顆粒物料造成一定破損率，包含容積泵、離心泵、隔膜泵類。通過對尺寸≤5×5×5 mm 正方形“椰果顆?！贝罅吭囼灉y試，綜合各種類型輸送泵的實驗數(shù)據(jù)，對所有種類輸送泵造成的“椰果顆?！逼茡p率進行采集分析，得到破損率最高的是離心泵。常規(guī)的離心泵是通過葉輪高速旋轉(zhuǎn)，并通過離心力的作用將物料高速拋出，產(chǎn)生的高剪切力破損和撞擊破損，讓顆粒變成漿糊狀態(tài)（圖三），使感官缺失而導(dǎo)致無法使用。然后是氣動隔膜泵，通過氣體擠泵腔隔膜片間接擠壓推送顆粒物，最大的破損原因就是擠壓后出現(xiàn)綿軟性破損（圖四），同時隔膜泵不適合用于高壓輸出和SIP 高溫滅菌工藝條件。破損率最小的是容積泵，容積泵種類非常多有轉(zhuǎn)子泵、螺桿泵、雙螺桿泵等，這里我們重點介紹轉(zhuǎn)子泵。轉(zhuǎn)子泵也屬于容積泵的一種，通過轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動在泵入口處容積擴大，顆粒物料進入泵腔入口，轉(zhuǎn)子推動顆粒物料順著弧形泵腔輸送至泵出口，隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，出口容積縮小，物料被完全推送出去。這種容積式泵可處理高濃度的顆粒物料并且效率高破損率相對較?。▓D五），通過選型合適轉(zhuǎn)子泵可滿足高壓輸出的條件。示例，對45%濃度“椰果顆?！碑a(chǎn)品輸送實驗，得知采用轉(zhuǎn)子泵，葉輪轉(zhuǎn)速＜130 轉(zhuǎn)/min 可做到輸送破損率8%以內(nèi)，同時泵腔葉輪都是金屬材質(zhì)，可做到≤143℃過熱水SIP 滅菌工藝處理，保證產(chǎn)品的安全性生產(chǎn)。

圖三

圖四

圖五

但是轉(zhuǎn)子泵也有缺點，輸送接近純水狀態(tài)下的低粘度CIP 清洗液時，清洗液會通過轉(zhuǎn)子與泵腔間隙回流至入口，導(dǎo)致輸出流量偏小，供應(yīng)后端清洗和自身清洗效果差。這種情況下，我們將高效能的離心泵作為清洗泵串聯(lián)至輸送系統(tǒng)內(nèi)，注意這里是串聯(lián)而不是常見的并聯(lián)工藝，并聯(lián)工藝的缺點是轉(zhuǎn)子泵和離心泵需要切換間隔清洗，流量波動大，不能做到同時輸送清洗。通過優(yōu)化輸送系統(tǒng)串聯(lián)清洗工藝，能做到生產(chǎn)產(chǎn)品輸送時選擇轉(zhuǎn)子泵（圖六），清洗時選擇帶入離心泵（圖七）。串聯(lián)的優(yōu)勢可以通過離心泵所提供的大流量清洗液，直接對轉(zhuǎn)子泵的葉輪和泵腔間隙提供超強沖洗力，并又通過T 型安全閥分流為后端設(shè)備提供不間斷的大流量的高壓清洗液，可高效的完成UHT 苛刻清洗工藝條件。

圖六

圖七

2.2.3 顆粒換熱器設(shè)計的難題攻克

國內(nèi)外都沒有此類技術(shù)的參考設(shè)備，在這種情況下通過自己建立數(shù)據(jù)模型，通過模擬數(shù)據(jù)分析和大量實驗測試驗證，綜合有效數(shù)據(jù)支持，并結(jié)合多年在飲料設(shè)備市場的成功案例的總結(jié)，以及大量的對飲品的實驗及數(shù)據(jù)分析整理，而對示例某45%濃度“椰果顆?！碑a(chǎn)品在滅菌系統(tǒng)工藝上流速設(shè)計≤0.7m/s，其他產(chǎn)品甚至選擇更低流速時。通過實驗發(fā)現(xiàn)提高系統(tǒng)流速時，將直接對顆粒物產(chǎn)生極高剪切破損率，使顆粒物料輸送過程就會出現(xiàn)破損[2]，最終導(dǎo)致感官缺失而影響產(chǎn)品口感。

而對于示例中45%濃度“椰果顆粒”物料換熱器設(shè)計而言在流速≤0.7m/s 時，湍流效果不會很理想，雷諾數(shù)下降、換熱效率降低[3]，同時常規(guī)的光滑管換熱器在通過顆粒時，也無法實現(xiàn)管道中的顆粒均勻滾動翻身，無法實現(xiàn)顆粒在流動過程均勻受熱滅菌。所以必須讓顆粒在換熱升溫過程中實現(xiàn)不斷翻動或滾動加熱以達到均勻受熱目的。對示例45%濃度“椰果顆粒”使用一種高效螺旋管換熱器，內(nèi)管結(jié)構(gòu)會根據(jù)產(chǎn)品換熱特性，通過實驗數(shù)據(jù)庫進行匹配，設(shè)計出合理槽深A(yù)、螺距B 尺寸（圖八）。產(chǎn)品中的顆粒在通過這種特殊管束過程中，沿內(nèi)壁螺旋凸槽在內(nèi)管中產(chǎn)生螺旋線方向打旋，螺旋翻轉(zhuǎn)攪動，而內(nèi)管中心顆粒物料在攪動過程中不斷被置換到外圍，使產(chǎn)品通過管壁換熱過程均勻受熱，實現(xiàn)內(nèi)管中心產(chǎn)品徹底滅菌，實現(xiàn)快速升溫的目的。

2.2.4 顆粒UHT系統(tǒng)清洗的難題攻克

圖八

圖九

圖十

在顆粒UHT 系統(tǒng)工藝上，在線CIP 清洗是該設(shè)備的一個重要工藝環(huán)節(jié)，直接影響著設(shè)備生產(chǎn)潔凈度的標(biāo)準(zhǔn)。UHT 系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)清洗工藝就是利用CIP 液代替設(shè)備生產(chǎn)物料，清洗介質(zhì)主要通過產(chǎn)品的輸送管道正向?qū)艿馈㈤y門、換熱器進行清洗。管道、閥門、換熱器的沖洗中（圖九），部分盲區(qū)清洗相對比較困難，再加上輸送顆粒物料后難免會有一定纖維堆積在正向清洗的端面上，只能提高清洗濃度或者增加清洗次數(shù)來保證清洗合格，這種清洗方式清洗耗時長、效率低、清洗化學(xué)品耗量大。針對顆粒UHT 清洗難題，我們開發(fā)了一種UHT 反向清洗新工藝（圖十），系統(tǒng)能夠通過閥門開關(guān)組合，自動的實現(xiàn)正反向清洗切換，避免了CIP 清洗的盲區(qū)，減少了清洗過程中的人為干預(yù)，能提高清洗質(zhì)量，減少清洗過程中的重復(fù)性，清洗效果有保障，減少了生產(chǎn)的人力投入，降低生產(chǎn)操作的困難、勞動成本的同時節(jié)約清洗時間，提高產(chǎn)能，滿足顆粒生產(chǎn)線清洗標(biāo)準(zhǔn)需求。

圖十一

2.2.5 顆粒UHT殺菌控溫精度的難題攻克UHT 滅菌技術(shù)對含有顆粒飲品采用132 ～137℃超高溫滅菌處理，主要的難題是對顆粒產(chǎn)品的中心是否滅菌徹底，也就是確保滅菌段滅菌溫度精準(zhǔn)控制，設(shè)備在最優(yōu)的狀態(tài)下能做到±1℃，才能確保通過UHT 滅菌工藝后可以完全破壞顆粒和料液中可生長的微生物和芽孢，確保飲品有效貨架期和安全性。針對這個難題設(shè)計出一種“多熱水系統(tǒng)分梯段的升溫方式”（圖十一），將根據(jù)產(chǎn)品特性設(shè)置不同溫度下的預(yù)殺菌控溫段，例如95 ～100℃在此溫度進行特定時間持溫，做到預(yù)滅菌處理，UHT 系統(tǒng)通過PID 控制中的溫度檢測點實時反饋，來調(diào)節(jié)加熱系統(tǒng)上的蒸汽比例閥，對預(yù)殺菌段熱水進口溫度進行調(diào)控，也就是第一次調(diào)溫補償?？筛鶕?jù)產(chǎn)品特殊性設(shè)置第二次、第三次等等補償控溫點，這樣通過多熱水系統(tǒng)各自調(diào)溫，確保恒定溫度的顆粒物料，進入后續(xù)滅菌段換熱器進行最終控溫132 ～137℃殺菌，然后再進入高溫殺菌保持器，通過30 ～60s 或長時間持溫滅菌。這個工藝的優(yōu)勢是采用多熱水系統(tǒng)控溫，預(yù)升溫、殺菌段控溫各自為陣，這樣能有效保證系統(tǒng)最終端的穩(wěn)定性，同時多熱水系統(tǒng)每段熱水流量可以進行分類調(diào)節(jié)，通過完美匹配還能降低設(shè)備運行能耗，實現(xiàn)節(jié)能降耗。

2.2.6 系統(tǒng)出口背壓裝置造成顆粒破損難題的攻克

為保證殺菌段能升溫至100℃以上的殺菌溫度，就必須給予系統(tǒng)內(nèi)部特定壓力，料液在常壓環(huán)境下最高只能將溫度升至100℃，有些耐熱微生物和芽孢不一定可以完全消滅，而常規(guī)UHT 系統(tǒng)，通過背壓閥的作用對系統(tǒng)進行加壓，將系統(tǒng)出口壓力維持在2bar 以上，才能有效的將物料溫度提升至132℃甚至更高溫度，那就要更高出口壓力。背壓閥的原理就是通過額定壓力下的氣體對閥內(nèi)膜片加壓，使閥內(nèi)閥芯向下，閥芯和閥座間隙縮小，閥腔進口壓力開始加大形成憋壓，當(dāng)液體側(cè)的壓力上升至膜片另外側(cè)的額定氣壓時，閥芯會被頂開釋放液體側(cè)的多余壓力，將液體側(cè)的壓力一直維持一個恒定壓力。但這些各種常規(guī)的背壓閥，在維持系統(tǒng)壓力時，內(nèi)部閥芯上下調(diào)節(jié)過程很容易對料液中的顆粒物造成擠壓破損（圖十二），導(dǎo)致最終產(chǎn)品感官的缺失。

圖十二

對UHT 系統(tǒng)出口背壓的要求，設(shè)計出一種特殊的出口加壓系統(tǒng)工藝，根據(jù)產(chǎn)品中顆粒的尺寸大小和配比濃度的要求，在UHT 出口位置設(shè)計特殊小口徑管道加壓管，并通過實驗收集到數(shù)據(jù)校核選擇適當(dāng)?shù)墓艿篱L度。其原理（圖十三）就是通過管道阻尼器進行第一次系統(tǒng)加壓，再配合后端背壓罐，對出口壓力進行二次增壓和調(diào)壓補償，最終實現(xiàn)系統(tǒng)出口控壓。

圖十三

2.2.7 系統(tǒng)自循環(huán)造成顆粒破損難題的攻克

含顆粒物料長時間循環(huán)殺菌糜爛問題的解決方案：在超高溫UHT 系統(tǒng)運行過程中，難免會出現(xiàn)各種問題不能持續(xù)生產(chǎn)，導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)的物料進入循環(huán)殺菌狀態(tài)，而顆粒物料循環(huán)殺菌又會導(dǎo)致顆粒破損率持續(xù)上升。系統(tǒng)要保證無菌環(huán)境又不能停機等候，一旦停機系統(tǒng)就要重新進行CIP/SIP 工藝，極度浪費生產(chǎn)時間和運行成本。針對含顆粒產(chǎn)品自循環(huán)破損問題，通過工藝優(yōu)化設(shè)計（圖十四），配置一套獨立循環(huán)小水罐，利用平衡罐下方T 型出料閥和小水罐連接并設(shè)置有截止蝶閥，蝶閥和T 型閥連接距離非常之短，有效減少產(chǎn)品和Ro 水混合損耗。出現(xiàn)特殊情況時，只需將小水罐中Ro 水通過閥門切換直接置換系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)品物料，同時將系統(tǒng)內(nèi)含顆粒物料頂入顆粒攪拌平衡罐中暫存，或通過回流閥組切換直接送回前端配比系統(tǒng)罐中暫存，而UHT 系統(tǒng)內(nèi)一直利用Ro 水代替含顆粒物料持續(xù)循環(huán)，確保系統(tǒng)內(nèi)無菌環(huán)境正常運行的同時通過置換系統(tǒng)內(nèi)部介質(zhì)解決了含顆粒物料長時間循環(huán)導(dǎo)致的產(chǎn)品內(nèi)顆粒糜爛問題。

另外，設(shè)置小水罐的目的是讓系統(tǒng)Ro 水供應(yīng)UHT循環(huán)時水源壓力更加穩(wěn)定，而如果直接連接Ro 水管道上時供水壓力會隨著其他Ro 水使用點的閥門開閉而波動，最終導(dǎo)致UHT 系統(tǒng)壓力和溫度失控。同時生產(chǎn)前后的料頂水和水頂料排放工藝非常常見，但在頂料過程中，要保證顆粒攪拌平衡罐內(nèi)物料不能全部讓后端輸送轉(zhuǎn)子泵給吸走，引起泵抽空導(dǎo)致無菌環(huán)境破壞等風(fēng)險出現(xiàn)。一般有經(jīng)驗的調(diào)試工程師會將顆粒攪拌平衡罐設(shè)置一個最低保護液位，一旦低于保護液位才開始料頂水和水頂料工藝，但往往設(shè)置的這個保護液位又成了產(chǎn)品混合損耗的一部分，而通過水罐中Ro 水直接置換系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)品物料，也可以節(jié)省部分物料。

3 研發(fā)的顆粒UHT 運行數(shù)據(jù)介紹

3.1顆粒 UHT運行數(shù)據(jù)

圖十四

示例，此臺顆粒UHT 處理椰奶飲品物料，含椰果濃度為45%濃度“椰果顆粒”（100 kg 椰奶中含有45 kg 椰果肉），椰果肉顆粒規(guī)格≤5×5×5 mm 正方形顆粒，能做到顆粒和料液混合后一起進行132 ～137℃連續(xù)性超高溫滅菌處理，并在這一溫度下保持殺菌60s 超高溫瞬時滅菌，以完全破壞顆粒和料液中可生長的微生物和芽孢。含顆粒物料通過132℃（圖十五）、135℃（圖十六）、137℃（圖十七）三個不同殺菌溫度后的椰果顆粒物理感官變化數(shù)據(jù)如下。

圖十五

圖十六

圖十七

3.2 顆粒 UHT數(shù)據(jù)推論

通過以上132℃、135℃、137℃各溫度下的滅菌數(shù)據(jù)匯總，建立曲線樣表（圖十八），分析數(shù)據(jù)曲線發(fā)現(xiàn)一個共同特征即隨著物料經(jīng)過UHT 反復(fù)循環(huán)滅菌后，飲品中的果肉顆粒破損率呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢；另外從數(shù)據(jù)上看椰果顆粒在UHT 殺菌處理前，送料過程中就已經(jīng)出現(xiàn)破損現(xiàn)象，再通過UHT 首次殺菌處理過后，破損率上升了一倍以上，而在通過二次循環(huán)殺菌后，破損率還是以接近倍數(shù)率的增長。

圖十八

示例中的此類產(chǎn)品，考慮顆粒破損率，從數(shù)據(jù)上看推薦物料通過132℃一次殺菌處理后應(yīng)立即供應(yīng)后端灌裝使用，破損率控制在10%以內(nèi)，顆粒的物理感官相對較好；其次數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)隨著殺菌溫度設(shè)置不斷提高，同一階段的破損率情況在不斷上升，而在137℃殺菌條件下，首次殺菌出口顆粒破損率就已經(jīng)接近13%，所以一旦使用137℃及以上殺菌溫度時，不推薦含顆粒物料反復(fù)殺菌，建議一次處理立即灌裝使用。當(dāng)然根據(jù)產(chǎn)品特殊性質(zhì)，以上數(shù)據(jù)也僅供示例顆粒產(chǎn)品參考。

4 總結(jié)

綜合目前在飲料行業(yè)內(nèi)含果肉顆粒飲品較為普遍的滅菌方式的普遍缺點，而進行各項難題攻克，在顆粒UHT 項目的研發(fā)前期，完全有必要對特定顆粒產(chǎn)品進行大量的測試、研究和實驗數(shù)據(jù)整理分析。為了將超高溫UHT 技術(shù)引入到含果肉顆粒飲品，開發(fā)出適合含顆粒及PH 值中性飲品的新型UHT，即做到完全破壞顆粒和料液中可生長的微生物和芽孢，又以最大限度的減小顆粒物在物理、化學(xué)及感官上的變化為目標(biāo)，同時保證設(shè)備運行參數(shù)的精準(zhǔn)控制，提供可靠、統(tǒng)一的產(chǎn)品處理，來確保生產(chǎn)線的產(chǎn)品質(zhì)量?？梢哉fUHT 滅菌技術(shù)工藝上也實現(xiàn)了新的突破，將成為中國飲料行業(yè)生產(chǎn)技術(shù)進步的典范，提升我國飲料設(shè)備的地位，開拓國內(nèi)外市場。