CN103118555B - 通过超高压均化对可泵送流体灭菌和物理稳定的连续系统和方法 - Google Patents
通过超高压均化对可泵送流体灭菌和物理稳定的连续系统和方法 Download PDFInfo
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Abstract
通过超高压均化(UHPH)对可泵送流体、食品或其它类型流体灭菌和物理稳定的连续系统和方法，包括：第一换热器(1)，其在40-90℃的温度Tp下对流体进行预热；超均化器(3)，通过它将温度为Tp的流体在200-600MPa的压力Pu下引入，由此将流体温度提高到最终值Tu；第二换热器(4)，其中它的冷却温度调整为值Te；无菌槽(5)，它接收温度为值Te的冷却流体和从这里由无菌空气压力将流体泵送至无菌包装机，包装最终产品。
Description
技术领域
本发明涉及通过超高压均化对可泵送流体灭菌和物理稳定的连续系统和方法，应用于食品、制药、化学和化妆品领域，和一般来说，应用于与该系统化学相容的任何可泵送产品以获得易于无菌包装的产品。
背景技术
灭菌是允许破坏繁殖体和微生物孢子并延长产品在室温下保存时间的处理方式。通常使用温度高于100℃的热处理。显然，经过这样条件下的处理，可以看到对感观特性的影响，如果是食品，会造成营养价值的重大损失。另一方面，许多产品无法承受这些条件，物理上变得不稳定。利用这种系统灭菌的食品和其它产品在室温下保存期限超过六个月(取决于其组成)。灭菌方法可在包装之前或之后应用，每种情况下需要如下所述的不同技术。灭菌总是伴随着食品稳定。在固体的情况下，必须应用添加剂来保护色泽和质地并强化口味。如果是胶态特性的液体食品，为避免相分离，会根据食品的复杂性使用机械处理如常规的均化和加入稳定剂(乳化剂、原料增稠剂、盐沉淀防护剂等)。
对于已包装产品的灭菌，热处理应用到整组包装及其内容物(食品)，并根据生产需要可使用负载系统或连续系统。
当需要灭菌的食品为液体并且粘度允许被泵送时，可以在包装之前使用关联到后续无菌包装的灭菌系统。这种情况下，产品在具有预热、灭菌、冷却和无菌包装的连续过程的封闭回路中循环。灭菌通常在高温即135-150℃下处理很短的时间即4-15秒。该处理通常被称为超高温(UHT)。上世纪60年代，UHT方法在工业水平上用于液体奶处理，由此得到的产品与利用用于为瓶装奶灭菌的传统灭菌器得到的产品相比性质更接近巴氏奶。从上世纪60年代至今，还开发了用于其它奶产品(浓缩奶、鲜奶油、奶昔、发酵产品、冰淇淋、甜点……)和用于汤、汁和菜泥等的UHT方法。
与已包装产品的灭菌相比，UHT方法节省时间、动力、空间和人力。如今，市场上存在两种UHT处理方法：产品通过与加热介质(水蒸汽)直接接触而加热的直接系统和热在换热器中通过分离表面传输的间接系统。
在这些灭菌方法中和取决于食品类型，主要取决于具有水包油型乳液的那些(例如奶、蘸用汁、奶基或冰淇淋混合物奶昔)，需要在热处理之前或之后引入均化过程。均化操作减小分散相中的液滴尺寸，从而使产品稳定，以防在储藏过程中出现乳液分层现象。压力均化器设有高压泵，该高压泵工作压力为10-70MPa，和在卸料侧具有均化阀。当从阀和它的支座之间泵送液体时，产生的高压高速驱动液体。在阀端，液体移动速度突然降低，所产生的极端湍流产生高剪切速率。干扰减小粒度的过程的其它力为气泡(气穴)的破裂和在液体轨迹中在阀处产生的冲击力。在一些食品中，例如奶，有时会有产生添加物的颗粒异常分布。类似于第一阀和安装在液体轨迹上的第二阀再一次破碎这些添加物。
一方面，热处理以并行方式对食品具有有益影响，例如使微生物灭活；但根据应用的处理方式，它产生会影响营养、感官感受和/或技术性能的不希望的化学和物理化学变化。
对于最广泛消费的灭菌食品之一例如奶、尤其是它作为饮料消费时的消费者来说，口味(香味+口味+稠度)是评价品质的非常重要的参数。热处理对于奶的口味有重要影响，根据所应用的处理强度，影响程度可能更高或高低。UHT灭菌奶(135-150℃，2-20s)通过煮制香味来确识，该煮制香味主要由蛋白质变性后释放的H2S与“焦糖”香味和与酮形成相关的其它典型香味的存在一起引起。在常规的瓶中进行灭菌处理(105-120℃，10-40分钟)时，会有强烈的煮制出的酮和焦糖香味，后者由Maillard反应的一些产物和焦糖化作用产物的形成引起，它甚至可以伪装成煮制香味。这些热处理可能引起的其它物理和生物化学现象为产品在室温下储藏期间由于蛋白质沉淀、相分离、乳液分层(脂肪分离，即使产品之前已经均化)所造成的不稳定，这使得我们必须使用一些添加剂如乳化剂、稳定剂或pH值调节剂以使这些由热处理引起的影响降至最低或减弱。对于不那么复杂的食品如果汁来说，会造成维生素含量(维生素C和其它水溶性维生素)的巨大损失、原有口味和香味的明显改变(挥发性组分损失)以及颜色的变化。
超高压均化(UHPH)技术与常规的均化基于相同的原理，只有一个大的区别是，由于阀的设计和新材料的使用，超高压均化可以达到高于200MPa的压力。由于UHPH处理的作用力源自动态高压应用引起的剪切、湍流、气穴和冲击的合力，所以它可以与新兴物理技术相关联。然而，不能将该技术与使用高压的其它技术如高流体静压处理(HHP)相混淆。与UHPH类似，该技术在破坏病原体和改变微生物方面作为常规热处理的替代方式开发，但所述系统或工作设备以及在该技术中起作用的微生物灭活机理与将在下面详述的UHPH完全不同。HHP设备的工作对象为事先包装在柔性材料中并封闭以确保防水性的产品装载(非连续过程)；该设备基本上由包含通常是水的压力变送静态流体的缸和压力生成系统(低压泵和压力增强器)组成(这就是它被称为流体静压的原因)。在该技术中，将包装食品引入填充有压力变送流体(通常为水)的压力缸中，直到达到所选的压力条件400-1000MPa；(在食品应用的工业设备中高达600MPa)，和保持所需时间。这段时间内，压力均衡传输，这意味着产品经过均化处理而不考虑形状或尺寸，同时防止处理过程中的变形。然后，缸减压后，将缸打开以从机器中取出产品。
至于微生物灭活机理，HHP技术可以通过诱导微生物的形态、生化反应、生殖机理或细胞膜内的变化来灭活微生物。通常，孢子可耐受这些处理，除非所述处理与高温联合应用。
迄今所开发的UHPH设备能够在高达400MPa的压力下在连续过程中加工流体或可泵送食品体系。截至目前，在化学和制药工业、特别是食品和生物工艺学中已经应用了不同的高压均化设备，以乳化、扩散、混合和加工产品。
在超均化器中，均化阀由可承受高达400MPa的压力(可能发展为更高的压力)和超过100℃的温度的材料(如陶瓷)制造。另外，阀的几何结构与常规均化器中使用的经典APV-Gaulin阀不同。
该技术对包括微生物的分散颗粒产生破坏。颗粒可以具有各种属性和常见于胶态食品如奶、蔬菜奶昔、混浊型果汁等。UHPH期间微生物分解(微生物灭活的主要机理)所意味的可能物理过程中，我们可以发现：突然的压力降低、冲击力、切割和扭转、湍流和气穴。产品通过阀之后的温度升高有利于微生物灭活(包括孢子)，因为这是对均化器阀处产生的物理力的附加影响。
尽管可以将UHPH视为热处理的替代方式，但UHPH过程中产品温度显著升高是因为：(1)强化器内和阀前端管内产生的压力升高，它会压缩流体，和(2)流体通过高压阀时经受的力和动能转化为热能。
均化阶段之前的压力升高和由流体高速引起的摩擦使产品温度每10MPa提高约2-2.5℃(150MPa的均化循环内温度升高20-50℃)。但这种在极短时间内(<0.5s)施加的热效应可以任选通过引入冷却设备消除或降到最低，所述冷却设备在产品压力下降后以迅速有效的方式控制温度。同样地，如果将产品暴露于40-90℃的温度下，可以促进和最大化由均化循环引起的温度升高，在第一均化阶段之后瞬间得到均匀的灭菌温度(高达150℃)。
至于UHPH技术在食品流体中的应用，有观点认为该处理可以对几种产品如奶、蔬菜奶昔、蛋、果汁等进行巴氏灭菌(Donsi,F.,Ferrari,G.,&Maresca,P.2009.High-Pressure homogenization for FoodSanitization.Chapter19,pages309-335.2ln:Global Issues inFood Science and Technology.Ed.Barbosa-Cánovas,G.et al.Academic Press.Burlington,MA,USA.)。但使用的设备和方法不足以实现对被研究产品的灭菌。例如，Puig等人(2008)研究了UHPH处理(200MPa，入口温度为6-8℃)对葡萄汁的微生物学和物理化学性质的影响，得到产品中残余的微生物，但具有极好的感观特性。Donsi等人(High-Pressure Homogenisation for Food Sanitisation.Proceedings of the13th World Congress of Food Science andTechnology'Food is Life',Nantes,2006年9月17-21日,1851-1862,doi:10.1051/IUFoST:20060497)研究了在250MPa下不同的UHPH循环对橙汁、苹果汁和菠萝汁的影响，评估了这些被处理产品的微生物灭活和品质损失。对于获得经巴氏灭菌的果汁，因此延长其保存期限和在4℃下冷藏产品28天而保持其感观特性来说，UHPH是有效的处理。
其它研究者建议加入抗微生物组分以促进由UHPH处理制造的微生物灭活。Pathanibul等人以这种方式(2009.Inactivation ofEscherichia coli and Listeria innocua in apple and carrot juicesusing high pressure homogenization and nisin.InternationalJournal of Food Microbiology129,316-320.)研究了向接种了大肠杆菌(Escherichia coli)或无害李斯特氏菌(Listeriainnocua)(～7log ufc/ml)的苹果汁和胡萝卜汁中加入乳酸链球菌肽(0-10UI/ml)并用UHPH处理(0-350MPa)，观察到微生物明显减少(～5log ufc/ml)但并没有完全消灭。
超均化器的问题在于它们不能靠自身保证食品的灭菌和后续的包装在无菌条件下进行。也就是说，需要将一系列设备组合为“系统”，该系统允许灭菌(包括抵抗孢子的破坏)、在无添加剂或严格控制添加剂浓度的条件下稳定、以及包装在无菌条件下进行。
发明内容
这里所述的系统和方法允许：(1)对不同性质的可泵送(即使具有热敏性)食品和产品进行处理和保存，在处理结束时实现产品商业无菌，(2)不使用添加剂(或将添加剂浓度降至最低)实现产品稳定，(3)避免沉淀，将例如变性和蛋白质添加降至最低，(4)由于增强的均化器效果而避免相分离，和(5)由于将热效应最小化，保持被处理食品的原始色泽、口味和香味，这与均化器效果一起实现产品灭菌、保证产品的感观和营养特性并解决传统灭菌和UHT当下存在的问题。通过引入冷却设备将通过超均化器时食品流体上产生的热效应降至最低，所述冷却设备在压力降低后迅速有效地调整食品流体的温度。
本文上下文中所用的术语“商业无菌”是指在处理应用期间所达到的条件生产的产品不含会对公共健康具有重大影响的活性微生物形态，和不含对公共健康没有重大影响但会在正常储藏和分配条件下在食品中自我繁殖的微生物形态。另一方面，可以理解的是，食品制备和调整在卫生条件下完成，和这些普通食品不含过量的微生物。商业无菌的一个重要方面是，在最终包装和灭菌的产品中可以有少量存活的微生物，但当产品在合理长的时间内保存时，微生物不会生长，食品将保持安全和可食用。
根据第一方面，提供了通过超高压均化(UHPH)对可泵送食品或其它自然流体灭菌和稳定的连续系统，该流体与构成该系统的材料(主要为不锈钢)相容。
该系统包括下列处理设备：(1)第一换热器，其在40-90℃的温度Tp下对可食用或不可食用流体进行预热，所述流体(0-39℃)来自储槽；(2)带有可在高压下工作的阀的超均化器，将之前加热到温度Tp的流体通过该超均化器在200-600MPa的压力Pu下引入，由此将流体温度提高到最终值Tu，该最终值Tu与温度Tp和在超均化器内施加的压力Pu成比例；(3)至少一个第二换热器，在该换热器中来自超均化器的流体温度降低到所需的冷却温度值Te，该温度值取决于最终的产品工艺，和(4)无菌槽，该槽接收温度值Te的冷却流体和流体由这里泵送至(5)无菌包装机。
从超均化器阀流出后，流体温度的最终值Tu保持0.1-1s。任选地并且如有需要，可以将流体保持在最终温度Tu下超过1s的时间。
在第二换热器处，所需的流体冷却温度值Te取决于工艺。也就是说，对于未胶凝产品冷却温度值为20-25℃，和对于在包装内胶凝的产品如乳蛋糕、布丁等产品冷却温度值为55℃。
根据第二方面，还提供了从连续系统通过超高压均化对可泵送流体、食品或其它类型流体灭菌和稳定的方法，该连续系统包括：用于预热的第一换热器，经预热的流体从该第一换热器送至在200-600MPa下工作的超均化器；第二换热器，用于冷却通过超均化器后的流体；无菌槽，它接收冷却的食品，和将食品由这里泵送至无菌包装机。
基于所述连续系统，该方法创新地包括如下阶段：
-子系统的预灭菌，该子系统包括连接至无菌槽的超均化器，在该阶段中将水引入系统，和将压力升至300-600MPa，停止超均化器并关闭流体入口，然后加入水蒸气直到温度达到140℃，保持该温度30-60min；通过蒸气喷射过程对无菌槽进行预灭菌，直到温度达到140℃，保持该温度30-60min，双层夹套冷却，用灭菌空气通过过滤器(0.2-0.4μ)保持0.4-6巴的正压力。
-一旦系统“运行”，也就是说，当系统在选定的温度和压力下以连续和稳定的方式用水运转时，流体就驱动水并通过第一预热换热器，在40-90℃的预热温度Tp和200-600MPa的压力Pu下将流体引入超均化器阀，直到达到温度Tu，流体从阀流出后该温度保持0.1-1s。
-在超均化器中停留后，通过制冷换热器将流体冷却，其中冷却温度根据产品工艺调节为所需值Te。也就是说，对于未胶凝产品冷却温度值Te为20-25℃，和对于在包装内胶凝的产品如乳蛋糕、布丁等产品冷却温度值为55℃。然后，将流体送至无菌槽，再从这里泵送和随后在无菌包装机中进行包装。
该系统除了由于设计可以用水蒸气灭菌外，还可以用传统的中性清洁剂或与所用材料相容的酶清洁剂进行清洁。
该系统同时允许对液体食品灭菌，破坏微生物生长形态和孢子，实现物理稳定(避免组分沉淀和分离如乳液分层)，通过结合生物活性组分形成纳米胶囊，还可以减少蛋白质变应原性，并相应地保持自然色泽、口味(甚至有所改善)和营养价值，还具有新鲜的产品外观。
上述内容也适用于化妆品和药物。
附图说明
为更好地理解本发明，下面以非限制性实施例的方式对具体涉及本发明实施方式的附图进行简要说明。图1显示了这里所述系统的示意图，其中以特定顺序组合了一系列设备，并具有对可泵送流体灭菌的确定条件。
实施例
下面为本发明的描述性而非限制性的实施例。出于所有实施目的，将豆浆的UHPH处理作为实施例，这是因为基础产品的制作过程与传统过程并无区别。但仍将由100kg大豆制作豆浆(基础产品)的过程描述如下：
-对大豆进行清洁和水合(室温下15h)，
-压碎(80-85℃持续20min)，
-通过胶体磨，
-过滤，和
-得到豆浆的原始样品。
使用来自Majesta品种的豆种(Glicine max)通过所述过程得到的豆浆组成(平均值(%p/p)±标准偏差)为：5.78±0.47干物质；1.36±0.22总油脂和3.10±0.15总蛋白质。
在如下最优条件下用本发明的系统和方法对原始样品进行处理：
a)对由换热器(1和4)、超均化器、无菌槽和无菌包装机组成的系统进行预灭菌，
b)将来自储槽(2)的豆浆通过第一换热器(1)预热至75℃的温度Tp，以备其后引入超均化器(3)，
c)在超均化器(3)中在300MPa的压力Pu下对豆浆进行处理。在该压力条件下，豆浆在0.5s内达到130-137℃的温度Tu，
d)通过换热器(4)瞬时冷却至低于26℃的温度。在本实施例中使用了两个换热器。
e)将冷却的流体送至无菌槽(5)，以备其后在无菌包装机进行包装。
为证明该系统和步骤取得了对豆浆进行超高压均化处理的最优条件(设想应当商业无菌并具有良好的品质特性)，我们提供了计划操作的细节。对由相同基础产品通过不同条件的UHPH处理和传统热处理如巴氏灭菌和UHT灭菌所得到的三种独立的产品进行比较分析。分析的参数在产品品质中最为突出。
处理条件
热巴氏灭菌：95℃/30s，在18MPa下进行1阶段均化。
UHT处理：142℃/6s，进行2阶段均化(18和4MPa)。
UHPH：如表1所示。
表1UHPH测试条件
微生物学测试
由于源自其来源和后处理的原料(大豆)特性，当前需要考虑的病菌微生物为生态学上对一些肠杆菌具有强抵抗力的那些，其中一些肠杆菌必须被认定为病菌，例如：沙门氏菌属(Salmonella spp)；一些微球菌，如金黄色葡萄球菌(Staphylococcus aureus)；酵母和真菌；以及形成孢子的微生物，其中需要强调的为蜡样芽孢杆菌(Bacilluscereus)，这是由于其病菌特征或由于其对于产品变为枯草芽孢杆菌(B.subtilis)或肠膜芽孢杆菌(B.mesenteroides)的影响。
氧化评估
氢过氧化物的形成
在24小时内和在4℃下储藏15天后对新鲜样品进行氢过氧化物测定。使用Ostdal等人(2000).H.,Andersen,H.J.和Nielsen,J.H.(2000).Antioxidative activity of urate in bovine milk.Journay of Agriculture and Food Chemistry48,5588-5592中所述的方法。
脂肪氧合酶(LOX)活性
使用Axelrod,B.,Cheesbrough,T.M.和Laasko,S.(1981).Lipoxygenase from soybean.Methods in enzimology.Ed.J.M.Lowenstein.Waltham,Massachusetts pp.441-451中所述的操作方法获得LOX提取物。使用Van der Ven,C.,Matser,A.M.和Van denBerg,R.W.(2005).Inactivation of soybean trypsin inhibitorsand lipoxygenase by high-pressure processing.Journal ofAgricultural and Food Chemistry53,1087-1092中所述的操作方法测定LOX活性。
物理稳定性
通过两种方法测定物理稳定性：
-离心并测定沉淀物层的重量百分比。
-在瓶中对储藏(2、5和7天)的沉淀物层定性评估。
粒度
在Beckman Coulter LSTM13320分析仪中通过激光分散进行测定，该方法允许检测直径为0.04-2000μm的颗粒或液滴。
胰蛋白酶抑制剂活性(TIA)
使用Guerrero-Beltrán,J.A.,Estrada-Girón,Y.,Swanson,B.和Barbasa-Cánovas,G.V.(2009).Pressure and temperaturecombination for inactivation of soymilk trypsin inhibitors.Food Chemistry116,676-679和Hamerstrand,G.E.,Black,L.T.和Glover,J.D.(1981).Trypsin-inhibitors in soy products-Modification of the standard analytical procedure.CerealChemistry58,42-45中所述的操作方法获得TIA提取物和进行分析。
结果
表2豆浆中的微生物学重计(log UFC/ml，平均值±标准偏差)
续表
ND：未检测
a：(+)样品的细菌生长和絮凝；(-)无细菌生长
表3相对于原始样品的氢过氧化物(吸光度)、脂肪氧合酶活性(LOX)、胰蛋白酶抑制剂残留活性百分比以及pH值的平均值(±d.e)
表4物理稳定性。离心后沉淀的平均百分比(±d.e)
表5物理稳定性。静态沉淀值
ND：未检测
表6豆浆颗粒的平均尺寸
D10μm：10vol%的颗粒的直径在该值以下；
D50μm：50vol%的颗粒的直径在该值以下；
D90μm：90vol%的颗粒的直径在该值以下。
结论
在超均化器的入口温度为75℃和压力为300MPa的条件下，经过本申请提出的系统进行的豆浆处理实现了：
-产品灭菌。
-产品沉淀和自然撇沫期间的高物理稳定性。
-与用UHT灭菌处理得到的产品相比更低的氧化水平(包含在氢过氧化物中)。
-与UHT接近的胰蛋白酶抑制剂水平(可消化性)。
-比UHT处理得到的更加可口的产品(细节未示出)，这意味着“草”和“豆”的味道更低。
Claims (8)
1.通过超高压均化对可泵送流体、食品或其它类型流体灭菌和物理稳定的连续系统，特征在于所述系统包括：
第一换热器(1)，其在40-90℃的温度Tp下对来自储槽(2)的流体进行预热；
带有高压阀的超均化器(3)，流体在40-90℃的预热温度Tp和200-600MPa的压力Pu下引入所述超均化器的阀，由此将流体温度提高到最终值Tu，所述流体从所述阀流出后该最终值Tu保持0.1-1s，和该最终值Tu与进入阀时的温度Tp和所施加的压力Pu成比例；
至少一个第二换热器(4)，在该换热器中来自所述超均化器(3)的流体冷却到所需的冷却温度值Te；
无菌槽(5)，它接收温度值Te的冷却流体和流体由此由无菌空气压力泵送至无菌包装机，以包装最终产品。
2.权利要求1的灭菌和物理稳定的连续系统，特征在于对于未胶凝产品，通过所述第二换热器后所述流体冷却温度为20-25℃。
3.权利要求1的灭菌和物理稳定的连续系统，特征在于对于在包装内胶凝的产品，通过所述第二换热器后所述流体冷却温度为55℃。
4.权利要求3的灭菌和物理稳定的连续系统，其中所述在包装内胶凝的产品为乳蛋糕或布丁。
5.从连续系统通过超高压均化对可泵送流体、食品或其它类型流体灭菌和物理稳定的方法，所述连续系统包括：
用于预热的第一换热器(1)，经预热的流体从所述第一换热器送至带有高压阀的超均化器(3)，其中所述流体在200-600MPa的压力下引入；
至少一个用于制冷的第二换热器(4)，用于降低从所述超均化器(3)流出后的流体温度；
无菌槽(5)，它接收冷却后的流体，和流体由此泵送至无菌包装机，
特征在于所述方法包括：
-所述系统的预灭菌阶段，所述系统包括连接至无菌槽(5)的超均化器(3)，在该阶段中将水引入所述系统，将压力升至300-600MPa，停止所述超均化器并关闭流体入口，然后加入水蒸气直到温度达到140℃，保持该温度30-60min；和通过蒸气喷射过程对无菌槽(5)进行预灭菌，直到温度达到140℃，保持该温度30-60min，双层夹套冷却，用灭菌空气通过过滤器保持0.4-6巴的正压力，
-一旦所述系统在选定的温度和压力下以连续和稳定的方式用水运行用于流体处理，和通过第一预热换热器(1)后，流体在40-90℃的温度Tp和200-600MPa的压力Pu下引入所述超均化器(3)的阀，由此所述流体达到温度Tu，所述流体从所述阀流出后该温度保持0.1-1s，
-在超均化器(3)中停留后，通过制冷换热器(4)将所述流体冷却，其中冷却温度根据产品工艺调节为值Te，然后将流体送至无菌槽(5)，再从所述无菌槽泵送和随后在无菌包装机中进行包装。
6.权利要求5的灭菌和物理稳定的方法，特征在于对于未胶凝产品，所述流体冷却温度Te为20-25℃。
7.权利要求5的灭菌和物理稳定的方法，特征在于对于在包装内胶凝的产品，所述流体冷却温度Te为55℃。
8.权利要求7的灭菌和物理稳定的方法，其中所述在包装内胶凝的产品为乳蛋糕或布丁。
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