瞬间杀菌机的优化及评价

杨占福

瞬间杀菌（FP）是实现啤酒可靠储藏的重要方式。如果配套使用了卫生型灌酒机，瞬间杀菌机相对于隧道式杀菌机或室式杀菌机（chamber pasteurizer）来说是一种更温和的选择，它对啤酒的浊度及风味稳定性影响将变得日益重要。目前的巴氏杀菌单位（PUs）要求加热区域的持续时间为30秒，温度为64～72℃间。问题随之产生：能否用当前可利用的手段及技术来分析这些传统的参数是不是最优的解决方案？

瞬间杀菌的主要目的是杀死啤酒饮料中特定的微生物。在浑浊啤酒中，常借助蛋白质变性来分析啤酒浊度的稳定性，但在已过滤的啤酒中是禁止出现的。无论在何种情形下，巴氏杀菌对感官及啤酒老化稳定性的影响作用越小越好。

本文描述了一种加热持续方式，通过对瞬间杀菌机的优化，在生产weissbier白啤酒时可满足啤酒浊度及微生物方面的稳定性，同时可获得更高质量的过滤啤酒，还可降低啤酒热暴露。这种方式的焦点主要是大幅度地缩短加热区域并相应提高巴氏杀菌温度，其中设定最高的杀菌温度非常重要，尤其是对过滤的啤酒，与未过滤啤酒中想要的浊度相比，无论什么时候它均不能在清亮的已过滤啤酒中引起任何变化（见图1和表1所示）。

图1：weissbier白啤酒（左）和比尔森啤酒试验装置

在对weissbier白啤酒稳定性研究中发现，几乎100%案例均过杀菌，因为为了保证啤酒的储藏期，用于蛋白质变性所需要的最低温度要求处在78～80℃间，按照常规的在瞬间杀菌机内30秒的加热持续时间就太长了。

表1：测试参数以及相关需要计算微生物杀死的动力学参数

■模拟滞留时间

数学模拟啤酒滞留时间，其分布图表明：通过缩短啤酒在瞬间杀菌机的加热持续时间，每一种情形下湍流啤酒剖面图均显现出更均匀的分布。由于缩短了啤酒流动的长度，啤酒流动方向的变化也非常小，致使流动最快的颗粒与流动最慢的颗粒达到加热区域末端的时间差非常非常小。

由于缩短了啤酒流动的路径，相对来说会有更少的液体颗粒遭受太长的加热时间，这样有利于降低啤酒总的热应力（见图2所示）。

图 2: 50 米 =30 秒；10 米 =6 秒，速度 30 m3/h，3秒=1.66m/s,颗粒直径=10μm，颗粒数量65000

图3：对比“比尔森”型啤酒在长的和缩短的加热持续时间下总的热指数

由于啤酒流动路径的缩短，几乎没有颗粒会出现杀菌不足的现象。在6秒的加热时间结束前，不足1%的颗粒会离开杀菌区域管路，这6秒的加热时间能满足微生物杀菌要求。假若采用长的加热时间，在30秒的加热时间结束前，大约有20%的颗粒离开加热区域，因此不能保证啤酒充足的热处理。

■ 热负荷降低

为了评价能源的输入及对啤酒质量影响方面所产生的差异，拿“比尔森”型啤酒做为案例进行研究，在相同的PUs单位下分析研究了这些啤酒的热指数。色度值越高（6.23±0 vs.6.32±0.02 EBC）及穿过加热区域时间越长的啤酒，热指数值越高（见图3所示）。对于已过滤的啤酒，可以清楚地看到：缩短加热时间，热应力明显降低。

对weissbier白啤酒热指数的研究分析显现出更明显的差异，尤其在老化的啤酒中更明显，因此缩短加热时间具有很大的优势（见图4所示）。

■ 对啤酒浊度没有任何影响

在相同的PUs单位和先期测试中设定的78.4℃下（见表2所示），在已过滤的“比尔森”型啤酒中没有发现浊度值的任何差异。

图4：对比“weissbier”型白啤酒在长的和缩短的加热持续时间下总的热指数

再者，在缩短的及长的加热时间（279±4 vs.281±0秒）范围内，研究发现泡沫指数也没显现出任何的差异。总结可得出：在加热持续时间为6秒时对应的温度可设定为目前用于已过滤啤酒杀菌时的最高温度。根据贝克的研究，此温度/时间为酒精类啤酒（40 PU）杀死啤酒有害菌时瞬间杀菌机热杀菌时的温度/时间。如果需对无醇已过滤啤酒进行热处理，贝克建议巴氏杀菌单位应达到70 PU，加热持续时间应达到10秒，加热温度应设定为78.4℃。

表2：对比“比尔森”型啤酒的浊度值

对浑浊的weissbier白啤酒进行了颗粒大小分布的分析及评价。

相对于瞬间杀菌前的参照样品，热处理的成功可以通过颗粒直径的明显加粗得以证实。在瞬间杀菌前，仅有29%的颗粒处在200～1000 nm范围内，这一范围内的颗粒与啤酒的浊度有关。低于200 nm的颗粒光散射太低，高于1000 nm的颗粒沉降速度太高。伴随着瞬间杀菌的进行，大约有55%的颗粒处在这一范围内，有助于啤酒浊度的稳定，这与酵母无关。

无论在任何时候，均发现这两种加热持续方式间浊度没有太大的区别。正如恩格尔曼研究的那样，蛋白质变性主要是在设定温度超过80℃时才有重大影响，而加热时间仅扮演着次要作用。

图5：颗粒直径分布图

值得注意的是：3.2℃的温度差异（6秒和30秒间的温度差异）对浊度不会产生大的影响，因此要想满足在杀菌单位保持常数220 PUs不变，又要缩短加热持续时间，必须调整加热负荷直至＞80℃才能实现，不过，无须担心，这不会影响浊度（见图5所示）。

在长的和缩短的加热时间（253±4 vs.255±0.5秒）两种热处理方式中，就泡沫指数而言没发现任何差异。

■ 提高了啤酒品质

在相同的杀菌单位PUs，对比已过滤的“比尔森”型啤酒，发现缩短加热持续时间得到的啤酒品质更好些。总溶氧值及老化指数，诸如2/3-甲基丁醛、苯甲醛、苯基乙醇、丁酸酯、正丙醇无论是在新鲜的啤酒中还是强制老化的啤酒中指标都偏低（见图6所示）。

图6：对比“比尔森”型啤酒在长的和缩短的加热持续时间下啤酒老化及溶解氧含量

图7：对比“weissbier白啤酒”在长的和缩短的加热持续时间下啤酒老化及溶解氧含量

对比weissbier型白啤酒，缩短加热持续时间可获得更好的结果，总溶氧值及老化指数无论是在新鲜的啤酒中还是强制老化的啤酒中指标都偏低（见图7所示）。

应用两种加热方式，就微生物方面而言，过滤的啤酒与未过滤的啤酒显现出同样的稳定性。保留的样品也没有显现出任何微生物方面或啤酒浑浊方面的变化。

■ 结论

对于酒精类啤酒而言，依据啤酒质量，杀菌加热持续时间从常规的30秒缩短到6秒显现出明显的益处，这已经在研究分析中得以证实。和未过滤的啤酒一样，可明显降低未过滤啤酒的热应力。微生物方面的安全性是相同的。

当缩短加热持续时间时，为了得到未过滤啤酒想要的浊度稳定性，蛋白质变性的临界温度可在加热持续时间范围内实现，不需要对啤酒进行过杀菌。甚至为了得到220 PU的目标值，可以在所有时间范围内在不低于80℃的临界温度下调整加热负荷。在缩短加热持续时间的情况下，所有研究的参照啤酒溶解氧、老化味这些关键指标都偏低。表3列举了啤酒瞬间杀菌温度和时间方面的相关建议。

可以看出：瞬间杀菌比隧道式杀菌显现出更重要的优势。正如Schwarz所发现的那样，湍流更有益于蛋白质的附聚和变性。在隧道式杀菌机中这是不可能实现的。研究结果清楚表明：缩短加热持续方式比长的加热方式对产品更友好。在特定的温度范围内需考虑进行进一步的研究，以强调瞬间杀菌机中缩短加热持续时间以及缩短加热和冷却阶段时间同隧道式杀菌机长的停留时间之间的差异。对比瞬间杀菌机与隧道式杀菌机，可以发现在30秒至6秒的时间范围内各个温度下的产品质量显现出明显的优势。

除了技术方面的优势外，以平均40米（30 m3/h）的速度缩短加热持续时间可降低压力损失，这样可降低需安装泵的负荷及由此造成的产品损失。最慢颗粒和速度最快的颗粒通过缩短区域（滞留时间分布）的差异也降低，由此易造成加热的一致性，降低局部的过热以及微生物方面关键部分杀菌不足的现象。除了降低单个指示性物质以及有关物质转换过程的动力学效应外，其作用被认为是缩短加热持续方式比长的加热方式对产品影响降低的主要原因之一。