超高压食品加工设备现状及发展趋势

徐圣捷，赵东，高祥，刘承，黄伟涛

济南大学机械工程学院（济南 250022）

食品超高压技术（Ultra-high pressure processing，UHP），亦称高静压水技术（Hydrostatic pressure，HHP）[1]，是当前备受食品加工行业重视，并投入大量精力研发的一种食品加工新技术。所谓食品超高压技术，就是将被加工食品以一定形状或规格进行包装，置于超高压设备灭菌缸中，基于帕斯卡原理和Le Chatelier原理[2]，利用传压介质（通常是液态）在100 MPa以上压力下对食品保压一段时间从而达到杀菌、灭酶、改善食品特性等作用[3]，延长食品保存时间的一种食品物理加工手段。

超高压食品加工属于非热加工，即在常温或者低温下进行。加工后的食品杀菌效果好、口感独特、色泽亮丽、营养几乎无损失[4]，具有传统热加工方法不可比拟的技术优势。

超高压食品加工的基本原理是压力对微生物的致死作用。超高压会导致微生物的形态结构、生物化学反应、基因机制以及细胞壁发生多方面的变化，影响微生物原有的生理活动的机能，微生物原有功能被破坏甚至发生不可逆变化[5]。

1 超高压食品加工设备简介

当前市场中超高压食品加工设备主要有高压系统和加压-卸压系统组成。加压-卸压系统在工作时为高压系统提供传压介质的升压、降压服务。高压系统的灭菌缸是整个设备的核心工作部分。灭菌缸的工作压力一般在150～600 MPa，部分灭菌缸的最高工作压力可达1 000 MPa。巨大压力致使灭菌缸工作环境恶劣，进而导致灭菌缸筒体应力分布复杂。不仅如此，频繁加压-卸压的工作过程使得灭菌缸还承受循环载荷[6]。因此，对超高压食品加工设备的灭菌缸从材料选择到结构设计要求都非常严格，成为超高压食品加工设备研究与开发的重要一环。

另外，超高压食品加工设备密封结构也是影响整个超高压设备正常工作的重要因素，其密封好坏直接影响整个超高压设备的整体性能。根据超高压食品的加工特点，超高压食品加工设备的密封结构还应具有开关频繁、密封性好、拆装简单、容易维护等特点[7]。

2 超高压食品加工设备分类

2.1 按照结构特点分类[8-9]

超高压食品加工装置工作时产生高压的方式主要分为内部直接加压和外部间接加压。

2.1.1 内部加压式

内部加压装置分为分体式内部加压装置和一体式内部加压装置两大类。

分体式内部加压式结构如图1所示。液压泵7泵出油液，通过换向阀6，作用于增压缸5，灭菌缸与增压缸整体在一个承压框架内，在推动5活塞向上运动时，顶住灭菌缸2，向上运动的期间，灭菌缸内产生超高压，对缸中的食物进行处理。整个装置在实际运行的过程中需要在高压端盖1和灭菌缸2之间添加超高压动密封。

图1 分体式内部加压装置

一体式内部加压装置结构简图如图2所示，结构较分体式稍有不同。在油泵和三位四通换向阀作用下，推动增压活塞4向上运动，与高压缸盖1相互作用，对灭菌缸2中的食品进行处理。整个装置活塞4与高压缸盖1、灭菌缸2之间需要加超高压动密封。

图2 一体式内部加压装置

2.1.2 外部加压式

外部加压式加工装置结构如图3所示。该装置分别独立地设置增压缸和高压容器。如图3所示，在液压泵和三位四通换向阀的作用下，将传压介质泵入增压缸5，增压缸5在活塞的作用下将传压介质压入超高压灭菌缸，对缸内的食物进行处理。高压端盖1和灭菌缸2之间要添加超高压动密封结构。

图3 外部加压装置

2.2 按照加工方式分类

2.2.1 间歇式加工方式[10]

当前用于工业生产的超高压灭菌装置大多数为间歇式加工方式。图4展示的是一种典型的间歇式超高压食品加工装置。

加工过程中，油缸9向上运动，带动上密封头7向上运动后，油缸12将灭菌缸5和承压框架3沿着滑轨2移动，露出灭菌缸5口部，将包装好的食物置于灭菌缸5后，再沿滑轨移动到预定位置，排出空气后，系统进行加压，保压一段时间，卸压。油缸12会将灭菌缸5与承压框架3沿滑轨推出，取出灭菌缸中的食物。工作过程中灭菌缸中残留的空气一般对杀菌动力学和杀菌效果不会产生太大影响，仅增加升压时间。

间歇式超高压灭菌装置虽然可以实现机械化操作，具有安全系数高、稳定性好等特点，但是从整个加工过程来看，在装料、加压、保压、卸料等操作过程中存在大量时间和能量的耗费，导致加工成本增加。整个设备亟待结构优化和工作过程改进以改善当前这种状况。

图4 间歇式加工装置

2.2.2 半连续式加工[11]

半连续式加工是近几年新出现的一种加工方式。这种加工方式有效减小间歇式加工中多余加工时间的消耗，提高生产效率。图5展示一种半连续式的超高压食品加工装置。

该超高压灭菌装置分为两组设备，每一组的3个工位上放置左、中、右3个位置灭菌缸，在加工过程中，左位灭菌缸4完成装料后，推到中位，堵头7完成对灭菌缸4的两端密封。在排尽空气后系统对灭菌缸内进行充介质升压，之后保压一段时间，卸压。堵头7卸掉对灭菌缸4的密封，灭菌缸4进入右位，取出灭菌缸4中已经加工好的食物。完成一个工作过程。

每一个容器组的整个加工过程由3个灭菌缸同时进行工作，3个位置的灭菌缸同时进行装料、加压灭菌、卸压、取料，整个过程设备实现半连续化加工，降低生产成本。

图5 超高压半连续式杀菌设备主体示意图

2.2.3 连续式加工

在实际的工业生产中，真正的食品用超高压连续化食品加工装备需要解决物料的连续加压、保压、卸压3个关键工作过程问题。因此至今还未出现用于工业化生产的超高压连续式处理设备。因此，仅在已发布的专利中出现超高压连续物料灭菌装置，具体原理是将被加工食品装入料仓中，从左端的灭菌缸口依次将料仓推入，压力大小从左到右进行阶梯递增，在中间压力最大位置对料仓进行定时保压，再从右端灭菌口中依次推出，具体结构简图如图6所示。

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图6 超高压连续物料灭菌装置简图

3 超高压食品加工设备现状及未来发展趋势

超高压技术被称为当今世界十大科技之一，具有重大的潜在市场和发展前景。20世纪70年代，国内开始投入对超高压食品的研究[12]。经过近半个世纪的发展，中国在超高压技术的理论体系、机理研究、技术开发已经取得一系列成果，但距离国外发达国家在很多方面还具有较大的差距，仍存在几个主要问题。

3.1 超高压设备的技术难度较大

超高压食品加工设备对材料选择、结构设计、结构密封、运行寿命安全性等方面提出严格要求，一次性解决这些问题不仅先期投入成本较高，更为随后的产业化带来层层障碍。

3.2 超高压加工过程复杂[13]

超高压加工主要是利用超高压对食物中的病毒、细菌及芽孢进行杀菌灭活处理，但不同食物需要不同的处理参数（主要为处理压力和保压时间）。部分食物中的芽孢要达到预定杀灭效果，对工艺参数的要求较高。同时，目前缺乏相应的标准来对超高压食品处理工艺最佳工艺参数的评定，给工艺参数研究造成一定混乱。

3.3 国外的设备价格相对较贵[14]

在一些关键技术还无法取得突破的情况下，国外设备高昂的价格对生产企业的设备引进和技术消化吸收带来瓶颈。

进入21世纪以来，超高压加工技术以其独特的技术优势在食品行业占据一席之地，甚至被世人誉为“21世纪十大尖端科技”之一。时至今日，超高压加工技术涉及水产品、液体饮料、肉制品、有效成分提取等诸多方面。

经过超高压技术处理过的食品，符合绿色食品的生产要求，并迎合消费者对于健康食品的需求，其广袤的市场前景不言而喻。当前对于超高压加工技术的理论基础、设备开发、产业化生产的研究正方兴未艾，在这些方面进行深入开发研究，将有助于中国超高压加工技术高效产业化发展。