连续式气流速热粉体杀菌技术介绍

2023-07-29侯祥英范逸文

食品工业 2023年7期

侯祥英，范逸文

上海士为智能设备有限公司（上海 200235）

杀菌工序是保证食品、药品安全的重要工序。杀菌方法主要是通过清洗、药剂、臭氧、辐照、环氧乙烷、电子束、加热杀菌等，对产品质量会产生不同影响，如：辐照杀菌会造成产品的化学性质改变，国家要求龙胆、秦艽药材、饮片、药粉及含有龙胆、秦艽的半成品原粉不得辐照[1]；环氧乙烷的药剂残留和环境污染等，都需采用更环保、安全的杀菌方法。

加热杀菌是一种良好的杀菌方式，其优点是无残留且设备简单。缺点是杀菌时间长达几十分钟，一方面杀菌效率低、粉体易结块。另一方面，高温加热时间过长，也会破坏产品中有益蛋白物质、酶类、色素等成分，降低产品品质。

鉴于现阶段杀菌技术存在问题，介绍一种连续式气流速热粉体杀菌技术。该技术使用过热饱和蒸汽，在一定压力条件下，在保温管道内以气力输送的形式对粉体进行杀菌，然后将过热蒸汽和粉体冷却、分离，完成杀菌。该技术在香辛料、茶类、壳类、植物茎叶类等产品领域有着广阔的应用前景。

1 技术背景介绍

1.1 过热蒸汽作为杀菌介质的有利条件

过热蒸汽具有状态循环过程（图1），1个大气压条件下，水蒸气温度100 ℃时，如果继续给予热量加热，就会变成100 ℃以上气体状态的干水蒸气（图2）。这种状态的水蒸气被称为过热水蒸气[2]。

图1 水蒸气的状态循环过程

图2 1个大气压下的水蒸气状态图

过热水蒸气的比热大，标准状态下，过热水蒸气的比热在2.1 kJ/（kg·K），空气的定压比热容为1.01 kJ/（kg·K），如表1所示[2]，过水热蒸气有着比热空气大2倍的比热。

表1 过热蒸汽和空气的物理特性

过热蒸汽有较高的传热系数，波特等用流化床干燥机，干燥煤炭得出过热蒸汽干燥时的传热系数为200~500 W/（m2·K），而同样条件下热风干燥的传热系数仅为20~50 W/（m2·K）[3]。日本的桐荣良三对过热蒸汽干燥的逆转点（inversion point）温度进行理论研究，并推导出逆转点值的计算公式，该逆转点模型已被很多学者所证实[3]。过热水蒸气干燥的整个环境中仅有一种气体成分HO2存在，传质阻力可忽略不计。研究证明，对于直径1 mm的水滴在150 ℃的过热蒸汽中只需10-6N/m2的压力差即可为蒸汽的扩散提供充分的驱动力[4]。

1.2 加热杀菌原理

1.2.1 微生物加热杀菌的基本原理

微生物加热杀菌的基本原理是破坏微生物的蛋白质、核酸、细胞壁和细胞膜导致其死亡。干热杀菌和湿热杀菌对微生物蛋白质破坏的机制不同，试验证明，干热杀菌是由于氧化作用速率增加、蛋白质变性、电解质浓缩引起中毒，从而致细胞死亡。湿热杀菌是微生物蛋白质受到热力作用而变性，大量的疏水基暴露于分子表面并互相结合成为较大的聚合体而凝固、沉淀。蛋白质凝固变性所需的温度随其含水量而变化：含水量50%时，蛋白质凝固温度为56 ℃；含水量降25%时，凝固温度升到74~80 ℃；含水量0时，凝固温度达到160~170 ℃。由此可见，湿热杀菌比干热杀菌所需温度低、效率快[5]。

1.2.2 微生物的耐热性

根据微生物的热力致死速率曲线或活菌残存数曲线及D值（式1）[6]和F0值、Z值定义，结合式（2）[7]可推导出任意温度θ的Dθ值（式3），结合表2[8]可以计算出对食品安全具有重要影响的微生物在高温情况下的D值（表3）。

表2 对食品安全具有重要影响的微生物

表3 食品安全具有重要影响的微生物计算表

式（1）中：N0为原始菌数，个；t为经过一段热处理时间，s；N为为存菌数，个；n为在某一热力致死温度条件下，在规定的时间内，将细胞或芽孢减少到某一程度（10-n），10-n中的n称为递减指数，其含义同（式3）中n的含意，无单位。微生物在受热温度提高后，D值迅速减小，肉毒梭状芽孢杆菌128.7 ℃时，最长也只有9.712 533 s，在温度Ⅲ 143.75 ℃时D值减少到0.303 621 s，说明在该温度下微生物由原来的菌群数减少90%只需0.303 621 s。提高受热温度后D值迅速减少的数据，为气流速热杀菌技术提供理论依据。

1.3 灭菌后粉体物料的储藏

干燥保藏是指在自然条件或人工控制条件下降低产品中的水分，从而抑制微生物活动、酶活及各种生化反应，达到抑制微生物生长、延长产品贮藏期的目的。产品中的水分为结合水和自由水2种状态。结合水处于与食品成分没有结合的游离状态，会随环境和温度湿度的变化发生位移[9]。在抑制微生物生长过程中，自由水比例更为重要，因此引入水分活度（Aw）的概念。水分活度越低，微生物活性越低，如表4[10]所示。Aw降到0.65时，能生长的微生物极少，气流速热灭菌后的产品水分很少，灭菌后可以直接储藏达1~2年。

表4 一般生物生长的最低Aw值

接表4

2 技术介绍

2.1 气流速热杀菌工艺流程

连续进行粉粒体和过热蒸汽的混合，根据原有微生物数量，保持N倍的D值时间，然后使过热水蒸气和物料分离，就可以完成粉体的灭菌，运行原理见图3。

图3 气流速热灭菌原理图

饱和水蒸气分别进入02，11和14。01调节饱和水蒸气的流量，02将饱和水蒸气加热成过热蒸汽，过热蒸汽通过管道流入05，与通过03和04进入高压旋转阀内的粉体物料混合，随着05的转动进入，06开始杀菌。06外部设计保温夹套，夹套不仅是保温，还提供给灭菌管路内部热量补偿。通过杀菌管路的粉体进入07，在这里过热蒸汽和粉体分离。在粉体进入06到从07中分离，整个过程都是杀菌过程，时间1~5 s。

粉体在杀菌后通过两次的混合无菌热风完成降温。粉体通过07下面05输送出来，与通过10，11和12产生的高温无菌热风混合，这样完成第1次降温。同理通过08出来的物料与13，14和15的输出低温无菌热风混合进入09，完成第2次降温。在09的出口完成杀菌粉体的收集，实现了粉粒体物料的杀菌。图4是气流速热杀菌设备照片。

图4 气流速热杀菌设备

2.2 粉体杀菌实例

采用气流速热杀菌设备进行松针粉、脱水西洋菜叶、绿茶、辣椒粉、辣椒颗粒还有部分中药原生粉的测试，杀菌时间在1~5 s，进行杀菌前后的对比见表5。大肠菌群在所有杀菌条件下均为阴性。真菌类在所有杀菌条件下均在300 CFU/g以下，可以确认杀菌取得明显的效果。

表5 气流杀菌微生物变化表

表6 松针粉灭菌前后含水率和水分活性表

气流速热杀菌使得物料的风味、颜色和挥发性物质的损失最小。含水率、Aw值随着杀菌压力的增高也逐渐上升，但无论在哪个杀菌条件下，数值上Aw也远低于0.65的微生物繁殖条件。

粉体灭菌后的色差变化如图5所示。相关研究文献[13]表明，不同色泽粉粒体物料颜色变化略有差异，随灭菌压力提高，在接受范围色泽会加深。

图5 灭菌前后颜色对比

2.3 气流速热杀菌强度可调

气流速热杀菌的杀菌强度，可以通过杀菌压力、杀菌温度和杀菌时间进行调整，尤其是杀菌压力的调节在食品添加剂的杀菌上作用明显。首先食品添加剂中微生物的杀灭，杀菌温度不能过高、杀菌时间不能过长，在灭杀微生物的同时又要保留有效成分，这需要比较精准的杀灭参数。试验从杀菌压力0.05~0.07 MPa，顺序提高压力，压力提高杀菌效果越好，有效成分损耗变大，在0.05~0.06 MPa区间，有效成分和杀菌效果得到很好的平衡，结果如表7所示。

表7 某食品添加剂试验记录表

3 讨论

随着技术的成熟，过热蒸汽速热杀菌技术在国外被大量使用。日本在80年代就推出连续式过热蒸汽灭菌设备，包括有斯托克-布克弗德（Stork-Bokfard）连续结构、气流速热式结构、高速搅拌结构杀菌设备[6]，并不断进行着技术完善。我国因为对辐照设备认知不足，早期投入大量技术进行辐照设备的开发，影响过热蒸汽灭菌的技术力量的提高积累，在过热蒸汽灭菌设备领域，落后欧洲和日本。相对应的粉体制成工艺流程也与国外成熟做法不同，法国的赛福德、荷兰的Ventilex、日本的川崎生产的过热蒸汽设备，技术不同于气流速热灭菌，因为适用面广泛，在粉体灭菌领域有着广泛市场，有待我们进一步开展研究。