含果肉颗粒饮品超高温UHT 灭菌技术

茅嘉惠 杨亚军

目前国内以及东南亚市场含颗粒饮料行业发展潜力巨大，但由于设备投资、技术条件、产品特性等因素，国内外暂无可连续性灭菌处理30%以上高浓度的含颗粒饮料的设备制造商。很多客户只能选择灭菌锅、杀菌釜，但其灭菌能力低，批次灭菌处理量受限以及维护费用昂贵等问题困扰着诸多饮料生产商。随着国内经济技术的快速发展，企业的创新能力得到进一步提升，我们消化吸收其他领域新技术，在颗粒饮品行业实现新的突破，将超高温UHT 灭菌技术引入设计，研发出适合30%以上高浓度的含颗粒饮料连续性灭菌处理设备，可处理椰果颗粒、切块番茄、芦荟颗粒、果粒橙、果肉纤维饮料等饮品。在保证灭菌效率及产品货架期的情况下，不断优化颗粒升温杀菌和流动过程中造成的破损率和感官指标等，提升饮品口感，在颗粒口感和质量稳定、换热效率高、日常维护简单、节能环保等方面不断深入研究和探索。

1 含果肉颗粒饮品灭菌处理方式现状

目前饮料行业有杀菌釜、蒸煮锅两种方式较为普遍。杀菌釜对灌装后的塑料瓶装或易拉罐装饮料，放置在杀菌筐内再整体投进杀菌釜内进行高温喷淋灭菌；蒸煮锅对灌装前的含颗粒物料进行小批量的加压加热搅拌蒸煮，物料加热灭菌后再进行无菌灌装。

1.1 杀菌釜灭菌处理

缺点是包装材料必须选用耐高温型材料，同时包装材料成本和产品PH 值也有关系，产品PH 值偏中性所需要灭菌温度也就越高，而相对于包装材料成本投入也就越高。

1.2 蒸煮锅灭菌处理

蒸煮锅和杀菌釜一样，设备灭菌能力低，每个批次处理量受限，不能连续性供应，生产中间需要置换。另外物料通过蒸煮锅加热，会出现温度分布不均匀，有时锅内中心温度不达标，可能会导致灭菌不彻底等污染风险，并且物料通过锅壁传热升温过程中，煮锅内表面容易出现烤糊结垢现象，导致清洗困难。

2 综合上述设备的普遍缺点催生了颗粒UHT 的研发

2.1 研发颗粒UHT的目标

目标就是可处理PH 值偏中性产品，且颗粒有效浓度≥30%（例如100 kg 成品中含果肉颗粒30 kg）及规格≤5×5×5 mm 正方形颗粒，能做到颗粒和料液混合后一起进行132～137 ℃超高温灭菌处理[1]，并在这一温度下保持杀菌不小于1s 超高温瞬时灭菌，以完全破坏颗粒和料液中可生长的微生物和芽孢，以最大限度的减小产品在物理、化学及感官上的变化，并迅速降温到25 ～30 ℃常温状态，为后端无菌灌装设备提供连续性的、源源不断的无菌含颗粒物料，使其灌装后成品能达到商业无菌的水平，可在非冷藏条件下进行储存、运输和销售。

2.2 颗粒UHT研发过程中技术难题攻克

2.2.1 颗粒长时间吸液后容易胀大引起破损的难题攻克

不同的颗粒产品都存在一定的吸收水分自我膨胀的过程，如规格尺寸≤5×5×5 mm 正方形“椰果颗粒”。灭菌处理前的颗粒如果长期浸泡于液体中，自身体积将会增大至饱和体积，这种饱和体积状态下的颗粒在流动过程中，经过设备的管道、阀门、输送泵、换热器等不锈钢材质的坚硬部件，就会容易出现脱水或破裂等情况出现，最终造成产品的感官和口感上的缺失。针对颗粒长时间吸胀问题，采用在线混合比的方式，通俗点讲也就是后端设备需要多少量，前端混合系统就按浓度要求混合多少量。而前端的果肉颗粒在线混合系统可设置在UHT 上，减少输送过程中因管道、输送泵、阀门等装置造成的颗粒输送破损。混合后的含颗粒料液，可直接进入UHT 平衡缓冲罐内暂存供后端设备连续使用，同时混合系统可根据设备投资成本的高低，提出两种混合比方式解决方案。

通过流量计控制配比（图一），分别通过质量流量计检测颗粒量，电磁流量计检测料液量，再通过混合器进行混合后流入UHT 平衡罐内暂存。这种混合方式投资成本略高一些，但颗粒和料液的混合精度控制的很好。

图一

图二

通过容积罐控制混比（图二），比如容积罐满容积100 L 体积，混合浓度要求60%举例，首先通过电磁流量计检测40 L 的料液量，先输入到100 L 容积罐中，再向罐内补充60 L 颗粒物，至满容积后罐底阀打开流入UHT 平衡罐内暂存。这种混合方式投资成本略低一些，混合精度控制也非常好。

2.2.2 颗粒输送泵的选型难题攻克

颗粒输送问题一直困扰着很多客户，选用合适输送装置至关重要，很多颗粒产品在通过输送泵输送过程中就会出现大量破损，接下来再谈一下颗粒UHT 输送泵的选择。所有类型的输送泵都会对颗粒物料造成一定破损率，包含容积泵、离心泵、隔膜泵类。通过对尺寸≤5×5×5 mm 正方形“椰果颗粒”大量试验测试，综合各种类型输送泵的实验数据，对所有种类输送泵造成的“椰果颗粒”破损率进行采集分析，得到破损率最高的是离心泵。常规的离心泵是通过叶轮高速旋转，并通过离心力的作用将物料高速抛出，产生的高剪切力破损和撞击破损，让颗粒变成浆糊状态（图三），使感官缺失而导致无法使用。然后是气动隔膜泵，通过气体挤泵腔隔膜片间接挤压推送颗粒物，最大的破损原因就是挤压后出现绵软性破损（图四），同时隔膜泵不适合用于高压输出和SIP 高温灭菌工艺条件。破损率最小的是容积泵，容积泵种类非常多有转子泵、螺杆泵、双螺杆泵等，这里我们重点介绍转子泵。转子泵也属于容积泵的一种，通过转子转动在泵入口处容积扩大，颗粒物料进入泵腔入口，转子推动颗粒物料顺着弧形泵腔输送至泵出口，随着转子转动，出口容积缩小，物料被完全推送出去。这种容积式泵可处理高浓度的颗粒物料并且效率高破损率相对较小（图五），通过选型合适转子泵可满足高压输出的条件。示例，对45%浓度“椰果颗粒”产品输送实验，得知采用转子泵，叶轮转速＜130 转/min 可做到输送破损率8%以内，同时泵腔叶轮都是金属材质，可做到≤143℃过热水SIP 灭菌工艺处理，保证产品的安全性生产。

图三

图四

图五

但是转子泵也有缺点，输送接近纯水状态下的低粘度CIP 清洗液时，清洗液会通过转子与泵腔间隙回流至入口，导致输出流量偏小，供应后端清洗和自身清洗效果差。这种情况下，我们将高效能的离心泵作为清洗泵串联至输送系统内，注意这里是串联而不是常见的并联工艺，并联工艺的缺点是转子泵和离心泵需要切换间隔清洗，流量波动大，不能做到同时输送清洗。通过优化输送系统串联清洗工艺，能做到生产产品输送时选择转子泵（图六），清洗时选择带入离心泵（图七）。串联的优势可以通过离心泵所提供的大流量清洗液，直接对转子泵的叶轮和泵腔间隙提供超强冲洗力，并又通过T 型安全阀分流为后端设备提供不间断的大流量的高压清洗液，可高效的完成UHT 苛刻清洗工艺条件。

图六

图七

2.2.3 颗粒换热器设计的难题攻克

国内外都没有此类技术的参考设备，在这种情况下通过自己建立数据模型，通过模拟数据分析和大量实验测试验证，综合有效数据支持，并结合多年在饮料设备市场的成功案例的总结，以及大量的对饮品的实验及数据分析整理，而对示例某45%浓度“椰果颗粒”产品在灭菌系统工艺上流速设计≤0.7m/s，其他产品甚至选择更低流速时。通过实验发现提高系统流速时，将直接对颗粒物产生极高剪切破损率，使颗粒物料输送过程就会出现破损[2]，最终导致感官缺失而影响产品口感。

而对于示例中45%浓度“椰果颗粒”物料换热器设计而言在流速≤0.7m/s 时，湍流效果不会很理想，雷诺数下降、换热效率降低[3]，同时常规的光滑管换热器在通过颗粒时，也无法实现管道中的颗粒均匀滚动翻身，无法实现颗粒在流动过程均匀受热灭菌。所以必须让颗粒在换热升温过程中实现不断翻动或滚动加热以达到均匀受热目的。对示例45%浓度“椰果颗粒”使用一种高效螺旋管换热器，内管结构会根据产品换热特性，通过实验数据库进行匹配，设计出合理槽深A、螺距B 尺寸（图八）。产品中的颗粒在通过这种特殊管束过程中，沿内壁螺旋凸槽在内管中产生螺旋线方向打旋，螺旋翻转搅动，而内管中心颗粒物料在搅动过程中不断被置换到外围，使产品通过管壁换热过程均匀受热，实现内管中心产品彻底灭菌，实现快速升温的目的。

2.2.4 颗粒UHT系统清洗的难题攻克

图八

图九

图十

在颗粒UHT 系统工艺上，在线CIP 清洗是该设备的一个重要工艺环节，直接影响着设备生产洁净度的标准。UHT 系统标准清洗工艺就是利用CIP 液代替设备生产物料，清洗介质主要通过产品的输送管道正向对管道、阀门、换热器进行清洗。管道、阀门、换热器的冲洗中（图九），部分盲区清洗相对比较困难，再加上输送颗粒物料后难免会有一定纤维堆积在正向清洗的端面上，只能提高清洗浓度或者增加清洗次数来保证清洗合格，这种清洗方式清洗耗时长、效率低、清洗化学品耗量大。针对颗粒UHT 清洗难题，我们开发了一种UHT 反向清洗新工艺（图十），系统能够通过阀门开关组合，自动的实现正反向清洗切换，避免了CIP 清洗的盲区，减少了清洗过程中的人为干预，能提高清洗质量，减少清洗过程中的重复性，清洗效果有保障，减少了生产的人力投入，降低生产操作的困难、劳动成本的同时节约清洗时间，提高产能，满足颗粒生产线清洗标准需求。

图十一

2.2.5 颗粒UHT杀菌控温精度的难题攻克UHT 灭菌技术对含有颗粒饮品采用132 ～137℃超高温灭菌处理，主要的难题是对颗粒产品的中心是否灭菌彻底，也就是确保灭菌段灭菌温度精准控制，设备在最优的状态下能做到±1℃，才能确保通过UHT 灭菌工艺后可以完全破坏颗粒和料液中可生长的微生物和芽孢，确保饮品有效货架期和安全性。针对这个难题设计出一种“多热水系统分梯段的升温方式”（图十一），将根据产品特性设置不同温度下的预杀菌控温段，例如95 ～100℃在此温度进行特定时间持温，做到预灭菌处理，UHT 系统通过PID 控制中的温度检测点实时反馈，来调节加热系统上的蒸汽比例阀，对预杀菌段热水进口温度进行调控，也就是第一次调温补偿。可根据产品特殊性设置第二次、第三次等等补偿控温点，这样通过多热水系统各自调温，确保恒定温度的颗粒物料，进入后续灭菌段换热器进行最终控温132 ～137℃杀菌，然后再进入高温杀菌保持器，通过30 ～60s 或长时间持温灭菌。这个工艺的优势是采用多热水系统控温，预升温、杀菌段控温各自为阵，这样能有效保证系统最终端的稳定性，同时多热水系统每段热水流量可以进行分类调节，通过完美匹配还能降低设备运行能耗，实现节能降耗。

2.2.6 系统出口背压装置造成颗粒破损难题的攻克

为保证杀菌段能升温至100℃以上的杀菌温度，就必须给予系统内部特定压力，料液在常压环境下最高只能将温度升至100℃，有些耐热微生物和芽孢不一定可以完全消灭，而常规UHT 系统，通过背压阀的作用对系统进行加压，将系统出口压力维持在2bar 以上，才能有效的将物料温度提升至132℃甚至更高温度，那就要更高出口压力。背压阀的原理就是通过额定压力下的气体对阀内膜片加压，使阀内阀芯向下，阀芯和阀座间隙缩小，阀腔进口压力开始加大形成憋压，当液体侧的压力上升至膜片另外侧的额定气压时，阀芯会被顶开释放液体侧的多余压力，将液体侧的压力一直维持一个恒定压力。但这些各种常规的背压阀，在维持系统压力时，内部阀芯上下调节过程很容易对料液中的颗粒物造成挤压破损（图十二），导致最终产品感官的缺失。

图十二

对UHT 系统出口背压的要求，设计出一种特殊的出口加压系统工艺，根据产品中颗粒的尺寸大小和配比浓度的要求，在UHT 出口位置设计特殊小口径管道加压管，并通过实验收集到数据校核选择适当的管道长度。其原理（图十三）就是通过管道阻尼器进行第一次系统加压，再配合后端背压罐，对出口压力进行二次增压和调压补偿，最终实现系统出口控压。

图十三

2.2.7 系统自循环造成颗粒破损难题的攻克

含颗粒物料长时间循环杀菌糜烂问题的解决方案：在超高温UHT 系统运行过程中，难免会出现各种问题不能持续生产，导致系统内的物料进入循环杀菌状态，而颗粒物料循环杀菌又会导致颗粒破损率持续上升。系统要保证无菌环境又不能停机等候，一旦停机系统就要重新进行CIP/SIP 工艺，极度浪费生产时间和运行成本。针对含颗粒产品自循环破损问题，通过工艺优化设计（图十四），配置一套独立循环小水罐，利用平衡罐下方T 型出料阀和小水罐连接并设置有截止蝶阀，蝶阀和T 型阀连接距离非常之短，有效减少产品和Ro 水混合损耗。出现特殊情况时，只需将小水罐中Ro 水通过阀门切换直接置换系统内产品物料，同时将系统内含颗粒物料顶入颗粒搅拌平衡罐中暂存，或通过回流阀组切换直接送回前端配比系统罐中暂存，而UHT 系统内一直利用Ro 水代替含颗粒物料持续循环，确保系统内无菌环境正常运行的同时通过置换系统内部介质解决了含颗粒物料长时间循环导致的产品内颗粒糜烂问题。

另外，设置小水罐的目的是让系统Ro 水供应UHT循环时水源压力更加稳定，而如果直接连接Ro 水管道上时供水压力会随着其他Ro 水使用点的阀门开闭而波动，最终导致UHT 系统压力和温度失控。同时生产前后的料顶水和水顶料排放工艺非常常见，但在顶料过程中，要保证颗粒搅拌平衡罐内物料不能全部让后端输送转子泵给吸走，引起泵抽空导致无菌环境破坏等风险出现。一般有经验的调试工程师会将颗粒搅拌平衡罐设置一个最低保护液位，一旦低于保护液位才开始料顶水和水顶料工艺，但往往设置的这个保护液位又成了产品混合损耗的一部分，而通过水罐中Ro 水直接置换系统内产品物料，也可以节省部分物料。

3 研发的颗粒UHT 运行数据介绍

3.1颗粒 UHT运行数据

图十四

示例，此台颗粒UHT 处理椰奶饮品物料，含椰果浓度为45%浓度“椰果颗粒”（100 kg 椰奶中含有45 kg 椰果肉），椰果肉颗粒规格≤5×5×5 mm 正方形颗粒，能做到颗粒和料液混合后一起进行132 ～137℃连续性超高温灭菌处理，并在这一温度下保持杀菌60s 超高温瞬时灭菌，以完全破坏颗粒和料液中可生长的微生物和芽孢。含颗粒物料通过132℃（图十五）、135℃（图十六）、137℃（图十七）三个不同杀菌温度后的椰果颗粒物理感官变化数据如下。

图十五

图十六

图十七

3.2 颗粒 UHT数据推论

通过以上132℃、135℃、137℃各温度下的灭菌数据汇总，建立曲线样表（图十八），分析数据曲线发现一个共同特征即随着物料经过UHT 反复循环灭菌后，饮品中的果肉颗粒破损率呈现逐渐上升的趋势；另外从数据上看椰果颗粒在UHT 杀菌处理前，送料过程中就已经出现破损现象，再通过UHT 首次杀菌处理过后，破损率上升了一倍以上，而在通过二次循环杀菌后，破损率还是以接近倍数率的增长。

图十八

示例中的此类产品，考虑颗粒破损率，从数据上看推荐物料通过132℃一次杀菌处理后应立即供应后端灌装使用，破损率控制在10%以内，颗粒的物理感官相对较好；其次数据分析发现随着杀菌温度设置不断提高，同一阶段的破损率情况在不断上升，而在137℃杀菌条件下，首次杀菌出口颗粒破损率就已经接近13%，所以一旦使用137℃及以上杀菌温度时，不推荐含颗粒物料反复杀菌，建议一次处理立即灌装使用。当然根据产品特殊性质，以上数据也仅供示例颗粒产品参考。

4 总结

综合目前在饮料行业内含果肉颗粒饮品较为普遍的灭菌方式的普遍缺点，而进行各项难题攻克，在颗粒UHT 项目的研发前期，完全有必要对特定颗粒产品进行大量的测试、研究和实验数据整理分析。为了将超高温UHT 技术引入到含果肉颗粒饮品，开发出适合含颗粒及PH 值中性饮品的新型UHT，即做到完全破坏颗粒和料液中可生长的微生物和芽孢，又以最大限度的减小颗粒物在物理、化学及感官上的变化为目标，同时保证设备运行参数的精准控制，提供可靠、统一的产品处理，来确保生产线的产品质量。可以说UHT 灭菌技术工艺上也实现了新的突破，将成为中国饮料行业生产技术进步的典范，提升我国饮料设备的地位，开拓国内外市场。