CN113717823B - 一种电喷雾微波协同果酒灭菌的装置及其应用 - Google Patents
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Abstract
一种电喷雾微波协同果酒灭菌的装置及其应用，属于农产品与食品加工与装备制造技术领域。本发明包括储料装置、电喷雾灭菌装置、微波灭菌装置和储藏装置；所述储料装置依次与电喷雾灭菌装置、微波灭菌装置和储藏装置相连接，实现电喷雾微波协同果酒灭菌。本发明利用电喷雾与微波协同非热灭菌特性进行果酒灭菌加工，不但具有灭菌率高、灭菌温度低等特点，还能节能减排、提高产品品质与加工效率，实现果酒灭菌加工高效、清洁及高品质。
Description
技术领域
本发明涉及一种电喷雾微波协同果酒灭菌的装置及其应用，适应于果酒高效、精准、高品质杀菌，属于农产品与食品加工与装备制造技术领域。
背景技术
由于水果含糖量高，加工成果酒不仅具有特殊风味，还可以提高其附加价值。但是在果酒加工过程中，由于其低醇度，常常需要加入SO2或亚硫酸来抑制杂菌的生长，在后期发酵完成后，也需要通过杀菌控制酿酒酵母的数量。SO2或亚硫酸的加入可能会使果酒中硫化合物超标或产生其他有害物质。目前工业上大部分都使用热处理杀菌，这种处理方式操作简单、效果较好且成本低，但会造成大量废水排放，且高温会影响果酒的营养成分，造成果酒品质降低。
新型物理场加工技术，如红外、微波、射频加工技术，是利用电磁波的能量使得极性分子发生偶极旋转和离子迁移，相互摩擦碰撞产生热量，实现酶的钝化及微生物的抑制，但红外穿透深度差、微波和射频加热不均匀以及加热造成果酒内热敏性成分的破坏，使得这些热处理技术的应用都有一定局限性。因此，非热技术应用于食品加工中的杀菌工艺是当今研究的热点。
非热技术，包括超声、超高压、脉冲电场、冷等离子体和辐照等，是在无热量传导的情况下使食品中的酶及微生物钝化的一种新型物理场加工技术。这些非热技术杀菌的原理不尽相同，如超声、超高压及脉冲电场技术会造成微生物细胞破碎，而辐照技术如紫外照射则是破坏微生物细胞内DNA或RNA分子结构，造成微生物死亡。电喷雾技术，一种新型非热食品加工技术，其原理是在针头处施加高压，液体从针头尖端处迸发形成射流，当液滴电荷斥力超过液滴表面张力时，液滴会裂解形成更小的雾滴，这种雾滴可以达到微米级甚至纳米级，从而破坏酶分子及微生物细胞结构。相比于其他非热技术，电喷雾技术最大的特点是可以实现高效杀菌，节能减排，提高产品品质。近年来，果酒非热处理技术及设备研究已成为果酒灭菌研究热点。本发明通过联合电喷雾及微波（非热效应）满足不同果酒杀菌的需求，实现果酒中主要品质裂变菌（酵母菌和霉菌）灭活率达90%以上，同时杀灭致病菌，保留果酒中有益活性成分，实现果酒高效、高品质杀菌。
李秉正、黄志民、黄端权、黄纪民（2019年）公开了“一种微波照射杀菌钝酶保鲜的方法”发明专利（专利申请号：201910492729.8）。该专利采用微波照射和不同光源照射对原料进行杀菌钝酶保鲜，将原料微波处理15-20s，然后停顿5-8s，微波停顿时，采用不同颜色的LED灯进行辅助照射处理。该专利只能钝化和杀灭原料表面的微生物和酶。本专利的不同之处在于利用电喷雾与微波协同对液态果酒进行杀菌，且微波灭菌采用管道式，灭菌温度低。
刘进分、贺纪陵（2020年）公开了“一种青梅酒用生产高温杀菌装置”发明专利（专利申请号：202022830484.6）。该专利采用高温水和紫外灯对青梅酒进行杀菌，通过弧形往复式摆动的喷头让青梅酒较为均匀的喷洒在第一加热板上，让青梅酒受热均匀，且通过第二壳体内的高温水液对固定筒内的青梅酒加热，能够让青梅酒杀菌较为完全彻底。该专利主要杀菌方式为热处理，高温会对青梅酒品质下降。本专利的不同之处在于采用非热处理杀菌，灭菌温度低，在有效杀菌的同时极大程度地保留果酒中有益活性成分。
张毅、段成春（2020年）公开了“一种红葡萄酒杀菌装置”发明专利（专利申请号：202021021117.5）。该专利设计了一种紫外线及臭氧发生杀菌装置，利用搅拌刀对物料进行翻转搅拌，再利用往复运动的紫外线杀菌装置对物料进行杀菌，落入下方的红葡萄酒会进过臭氧发生杀菌装置进行杀菌，从而可以提高杀菌效率。该专利主要采用紫外线与臭氧联合杀菌，紫外线穿透能力弱，存在杀菌不彻底现象。本专利的不同之处在于采用全物料杀菌，所有物料都经过雾化针及微波灭菌管进行灭菌，果酒灭菌均匀、高效、灭菌率高。
胡金成、王郁杨（2020年）公开了“黄酒杀菌装置”发明专利（专利申请号：202011534848.4）。该专利设计了一种加压装置，提高了黄酒沸点，并设计了多个温度梯度的杀菌，在有效杀菌的同时，使黄酒的温度保持在较低水平。该专利采用多梯度温度杀菌，杀菌时间较长，会使黄酒品质降低。本专利的不同之处在于，杀菌过程为瞬时杀菌，果酒从针头喷出时即完成杀菌，缩短了杀菌时间，提高生产效率，另外，灭菌温度低，提升果酒品质。
陈律伸（浙江工业大学，2012年）在其硕士论文“高压脉冲电场杀菌钝酶技术研究”中考察了不同脉冲电场参数对大肠杆菌和枯草芽孢杆菌的灭活效果影响。发现通过优化脉冲电场参数，大肠杆菌和枯草芽孢杆菌的致死率达到95%以上。本专利的不同之处在于，采用电喷雾微波协同灭菌，灭菌均匀、效率高、灭活率高。
刘克富、闫泽垚、邱剑（2020年）公开了“一种采用高压脉冲电场的牛奶灭菌装置”发明专利（专利申请号：202020535646.0）。该专利设计了一种阶段式脉冲电场杀菌装置，通过第一阶段低幅值、长脉宽的电压作用，增加牛奶的温度，使其达到35-55℃，高温环境可以降低发生电穿孔效应所需要的跨膜电压临界值。通过第二阶段高幅值、窄脉宽的作用，可以有效地失活牛奶中的微生物，实现牛奶灭菌的目的。该专利采用脉冲电场处理牛奶，温度仍会上升至55℃，且最后总菌落数仍大于104CFU/mL。本专利的不同之处在于，杀菌前后物料的温度没有任何变化，实现真正意义上的冷杀菌工艺。
张羽彤（2019年）公开了“一种水果用高压脉冲电场杀菌装置”发明专利（专利申请号：201921302878.5）。该专利设计了一种用于水果的高压脉冲电场杀菌装置，采用连续四次杀菌方式可进行水果有效、大批量杀菌。本专利的不同之处在于，电喷雾杀菌为瞬时杀菌，可以大大缩短杀菌时间，节能减排。
总之，关于电喷雾微波协同果酒灭菌的技术及设备在国内外尚未见报导。本发明将是一种创新，是对国内这一技术空白的填补。
发明内容
本发明的目的是克服上述不足之处，通过电喷雾与微波协同果酒灭菌，提供一种果酒低温非热灭菌加工方法，解决果酒高温灭菌造成的品质劣变、效率低、环境污染等问题。
本发明的技术方案，一种电喷雾微波协同果酒灭菌的装置，包括储料装置、电喷雾灭菌装置、微波灭菌装置和储藏装置；所述储料装置依次与电喷雾灭菌装置、微波灭菌装置和储藏装置相连接，实现电喷雾微波协同果酒灭菌；
所述储料装置包括物料贮罐、物料输送泵、物料输送管、高压贮罐和过滤器；所述物料贮罐通过物料输送管与高压贮罐连接，高压贮罐下端与过滤器连接；所述物料输送管上设有物料输送泵；所述过滤器可以截留直径大于0.048mm的微小颗粒；
所述电喷雾灭菌装置包括电喷雾灭菌柜、料液分配器、雾化液滴收集柜、雾化液贮罐、高压电源线、高压直流电源；所述过滤器与电喷雾灭菌柜连接；所述电喷雾灭菌柜中设有料液分配器、雾化液滴收集柜和雾化液贮罐；所述料液分配器下方设置雾化液滴收集柜，雾化液滴收集柜下方与雾化液贮罐连通；所述料液分配器通过高压电源线与高压直流电源连接；
所述微波灭菌装置包括微波灭菌柜、灭菌管和微波发生器；所述雾化液贮罐与微波灭菌柜连接；所述微波灭菌柜内设有灭菌管，外部设有微波发生器；
所述储藏装置具体为成品贮罐；所述微波灭菌柜通过管道与成品贮罐连接。
进一步地，所述物料贮罐、高压贮罐、雾化液收集柜、雾化液贮罐和成品贮罐材质为绝缘塑料或玻璃。
进一步地，所述储料装置中还包括物料输送泵、进料阀和出料阀；所述物料输送管上设有物料输送泵和进料阀；所述进料阀位于高压贮罐的上方，高压贮罐与过滤器之间设有出料阀。
进一步地，所述储料装置中还包括调压阀和氮气贮罐；所述氮气贮罐通过高压气管与高压贮罐的上部连通；高压气管上设有调压阀。
进一步地，所述料液分配器具体包括雾化针、金属电极和防水板；
金属电极之间距离为30-40mm；所述金属电极为条形，均匀开孔，并通过高压电源线与高压直流电源连接，金属电极通过金属板固定；所述金属电极下方设有防水板，防水板设有孔，雾化针穿过防水板。防水板可以隔绝物料电喷雾处理时产生的雾滴，起到保护金属电极的作用。
进一步地，所述雾化针内径为0.06-0.3mm。
进一步地，所述雾化针均匀分布于金属电极孔内，并通过螺丝固定。每根金属电极装雾化针30-50个，两个雾化针之间距离为30-40 mm。
所述高压直流电源电压可连续调节，调节范围为﹣60~60kV；高压直流电源通过高压电源线与电喷雾灭菌柜中金属电极板相连。
进一步地，所述电喷雾灭菌装置中还包括灭菌灯；所述灭菌灯安装在电喷雾灭菌柜内，使电喷雾灭菌柜内为无菌环境。
进一步地，所述微波灭菌装置还包括雾化液输送泵；所述电喷雾灭菌装置和微波灭菌装置连接的管道上设有雾化液输送泵；
进一步地，所述微波灭菌柜结构为长方体，长为800-2000mm，宽500-800mm,高100-300mm，侧面设计检修门；所述微波灭菌柜上设有4-10个微波发生器；微波发生器设置为发射频率为915MHz与2450MH两种微波源；微波功率根据温度传感器设定温度连续可调；波导馈口设置在微波灭菌柜的两侧面，形状均为喇叭型，交替排列；所述灭菌管以U形置于微波灭菌柜内。
进一步地，还包括控制柜和温度传感器；所述控制柜为PLC控制柜；所述温度传感器置于灭菌管出口；所述物料输送泵、进料阀、调压阀、出料阀、雾化液输送泵、高压直流电源、灭菌灯、微波发生器均与控制柜连接。
所述物料输送泵和雾化液输送泵流量连续调节；物料输送管和灭菌管的材料为硅橡胶材料；物料输送泵连接物料贮罐和高压贮罐；雾化液输送泵连接雾化液贮罐和微波灭菌柜。
所述控制柜控制物料输送泵、进料阀、出料阀、调压阀、高压直流电源、雾化液输送泵、微波发生器和温度传感器。
所述PLC控制柜控制高压直流电源的启停和电压调节，微波发生器的启停和功率调节，物料输送泵的启停和流量调节，雾化液输送泵启停和流量调节，进料阀、出料阀和调节阀启停，灭菌灯启停，根据温度传感器设定值调整微波发生器功率。
所述装置，将其应用于果酒灭菌。
本发明的有益效果：本发明可以有效杀灭果酒中污染菌及致病菌：由于电喷雾对细胞膜具有击穿作用，协同微波的非热效应灭菌特点，选择合适的电喷雾及微波参数，在保持产品温度低于40℃的同时能够有效杀灭污染菌及致病菌，从而实现果酒冷杀菌加工。
本发明降低环境污染、提高产品安全：电喷雾与微波技术具有非热杀菌特性，在高效杀菌的同时，实现产品安全加工。
本发明节能减排、提高产品品质：电喷雾微波协同杀菌时间短、产品温度低、几乎没有废水排放，降低了果酒中热敏性成分的损失，实现了果酒的高效、高品质加工。
附图说明
图1是本发明系统结构示意图。
图2是本发明控制原理示意图。
附图标记说明：1、物料贮罐；2、物料输送泵；3、物料输送管；4、进料阀；5、高压贮罐；6、待灭菌物料；7、出料阀；8、过滤器；9、电喷雾灭菌柜；10、料液分配器；11、雾化针；12、雾化液滴收集柜；13、雾化液贮罐；14、调压阀；15、氮气贮罐；16、灭菌灯；17、高压电源线；18、高压直流电源；19、控制柜；20、金属电极；21、防水板；22、雾化液输送泵；23、微波灭菌柜；24、灭菌管；25、微波发生器；26、温度传感器；27、成品贮罐。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细地描述。
实施例1
如图1所示，一种电喷雾微波协同果酒灭菌的装置，包括储料装置、电喷雾灭菌装置、微波灭菌装置和储藏装置；所述储料装置依次与电喷雾灭菌装置、微波灭菌装置和储藏装置相连接，实现电喷雾微波协同果酒灭菌；
所述储料装置包括物料贮罐1、物料输送泵2、物料输送管3、高压贮罐5和过滤器8；所述物料贮罐1通过物料输送管3与高压贮罐5连接，高压贮罐5下端与过滤器8连接；所述物料输送管3上设有物料输送泵2；过滤器8可以截留粒径大于0.048mm的物质；
所述电喷雾灭菌装置包括电喷雾灭菌柜9、料液分配器10、雾化液滴收集柜12、雾化液贮罐13、高压电源线17、高压直流电源18；所述过滤器8与电喷雾灭菌柜9连接；所述电喷雾灭菌柜9中设有料液分配器10、雾化液滴收集柜12和雾化液贮罐13；所述料液分配器10下方设置雾化液滴收集柜12，雾化液滴收集柜12下方与雾化液贮罐13连通；所述料液分配器10通过高压电源线17与高压直流电源18连接；
所述微波灭菌装置包括微波灭菌柜23、灭菌管24和微波发生器25；所述雾化液贮罐13与微波灭菌柜23连接；所述微波灭菌柜23内设有灭菌管24，外部设有微波发生器25；
所述储藏装置具体为成品贮罐27；所述微波灭菌柜23通过管道与成品贮罐27连接。
所述储料装置中还包括物料输送泵2、进料阀4和出料阀7；所述物料输送管3上设有物料输送泵2和进料阀4；所述进料阀4位于高压贮罐5的上方，高压贮罐5与过滤器8之间设有出料阀7。
所述储料装置中还包括调压阀14和氮气贮罐15；所述氮气贮罐15通过管道与高压贮罐5的上部连通；管道上设有调压阀14。
所述电喷雾灭菌柜9中的每根金属电极20上安装30-50个雾化针11；雾化针11通过铜螺丝固定，两个雾化针11之间距离为30-40mm；料液分配器10连接雾化针11；金属电极20用金属板固定，金属板连接高压电源线17；防水板21开有孔，雾化针11穿过防水板21孔；防水板21可以隔绝电喷雾时产生的雾滴，起到保护金属电极20的作用。
所述高压直流电源18设计为正负两种电源，正电源输出电压范围在0~60 kV，功率调节范围0-1200W；负电源高压直流电源输出电压范围在-60~0kV，功率调节范围0-1200W。
所述电喷雾灭菌装置中还包括灭菌灯16；所述灭菌灯16安装在电喷雾灭菌柜9内。
所述微波灭菌装置还包括雾化液输送泵22；所述电喷雾灭菌装置和微波灭菌装置连接的管道上设有雾化液输送泵22；
所述微波灭菌柜23结构为长方体，长为800-2000mm，宽500-800mm,高150-300mm，侧面设计检修门；所述微波灭菌柜上设有4-10个微波发生器；微波发生器设置为发射频率为915MHz与2450MH两种微波源；微波功率连续可调波导馈口设置在微波灭菌柜的上面，形状均为喇叭型，交替排列；灭菌管24以U形置于微波灭菌柜23内。
所述物料输送泵2、雾化液输送泵22流量可连续调节；物料输送管3、灭菌管24的材料为硅橡胶材料。
还包括控制柜19和温度传感器26；所述温度传感器26置于灭菌管24出口；所述；控制柜19控制物料输送泵2、进料阀4、出料阀7、调压阀14、高压直流电源18、雾化液输送泵22、微波发生器25和温度传感器26。
应用实施例1电喷雾微波协同树莓酒灭菌
工作时，启动进料阀4，启动物料输送泵2，物料贮罐1内树莓酒通过物料输送管3输送到高压贮罐5；启动调压阀14，启动出料阀7，高压贮罐5内树莓酒通过过滤器8到达电喷雾灭菌柜9；电喷雾灭菌柜9由高压直流电源18供电，树莓酒经过电喷雾灭菌柜9中的雾化针并雾化形成细小雾滴，由雾化液滴收集柜12收集；雾滴在雾化液滴收集柜12中重新汇集成树莓酒后流入雾化液贮罐13；雾化液贮罐内树莓酒经雾化液输送泵22输送到微波灭菌柜23内，经灭菌管24进入成品贮罐27；控制柜19进行工艺参数的设定及运行控制。高压直流电源电压设定为+50kv, 雾化针内径0.06mm，微波灭菌温度30℃。
结果：经电喷雾及微波协同处理后树莓酒中菌落总数、酵母菌和霉菌降低≥90%；致病菌（大肠杆菌、沙门氏菌、金黄色葡萄球菌）未检出。树莓酒中超氧化物歧化酶酶活力及色泽基本保持不变；树莓酒中花青素和抗坏血酸含量分别为原来的77.64%、74.36%。树莓酒中主要呈味物质也未发生明显变化。
应用实施例2电喷雾微波协同葡萄酒灭菌
工作时，启动进料阀4，启动物料输送泵2，物料贮罐1内葡萄酒通过物料输送管3输送到高压贮罐5；启动调压阀14，启动出料阀7，高压贮罐5内葡萄酒通过过滤器8到达电喷雾灭菌柜9；电喷雾灭菌柜9由高压直流电源18供电，葡萄酒经过电喷雾灭菌柜9中的雾化针并雾化形成细小雾滴，由雾化液滴收集柜12收集；雾滴在雾化液滴收集柜12中重新汇集成葡萄酒后流入雾化液贮罐13；雾化液贮罐内葡萄酒经雾化液输送泵22输送到微波灭菌柜23内，经灭菌管24进入成品贮罐27；控制柜19进行工艺参数的设定及运行控制。高压直流电源电压设定为+45kv, 雾化针内径0.06mm，微波灭菌温度35℃。
结果：经电喷雾及微波协同处理后葡萄酒中菌落总数降低≥90%；致病菌（大肠杆菌、沙门氏菌、金黄色葡萄球菌）未检出。
本发明采用电喷雾及微波协同方式提高果酒灭菌效率、降低环境污染、保护果酒品质，解决果酒微生物超标及热处理杀菌带来的负面影响问题，实现果酒高效、高品质杀菌。
Claims (9)
1.一种电喷雾微波协同果酒灭菌的装置，其特征是：包括储料装置、电喷雾灭菌装置、微波灭菌装置和储藏装置；所述储料装置依次与电喷雾灭菌装置、微波灭菌装置和储藏装置相连接，实现电喷雾微波协同果酒灭菌；
所述储料装置包括物料贮罐（1）、物料输送泵（2）、物料输送管（3）、高压贮罐（5）和过滤器（8）；所述物料贮罐（1）通过物料输送管（3）与高压贮罐（5）连接，高压贮罐（5）下端与过滤器（8）连接；所述物料输送管（3）上设有物料输送泵（2）；
所述储料装置中还包括物料输送泵（2）、进料阀（4）和出料阀（7）；所述物料输送管（3）上设有物料输送泵（2）和进料阀（4）；所述进料阀（4）位于高压贮罐（5）的上方，高压贮罐（5）与过滤器（8）之间设有出料阀（7）；
所述储料装置中还包括调压阀（14）和氮气贮罐（15）；所述氮气贮罐（15）通过管道与高压贮罐（5）的上部连通；管道上设有调压阀（14）；
所述电喷雾灭菌装置包括电喷雾灭菌柜（9）、料液分配器（10）、雾化液滴收集柜（12）、雾化液贮罐（13）、高压电源线（17）、高压直流电源（18）；所述过滤器（8）与电喷雾灭菌柜（9）连接；所述电喷雾灭菌柜（9）中设有料液分配器（10）、雾化液滴收集柜（12）和雾化液贮罐（13）；所述料液分配器（10）下方设置雾化液滴收集柜（12），雾化液滴收集柜（12）下方与雾化液贮罐（13）连通；所述料液分配器（10）通过高压电源线（17）与高压直流电源（18）连接；
所述微波灭菌装置包括微波灭菌柜（23）、灭菌管（24）和微波发生器（25）；所述雾化液贮罐（13）与微波灭菌柜（23）连接；所述微波灭菌柜（23）内设有灭菌管（24），外部设有微波发生器（25）；
所述储藏装置具体为成品贮罐（27）；所述微波灭菌柜（23）通过管道与成品贮罐（27）连接。
2.根据权利要求1所述电喷雾微波协同果酒灭菌的装置，其特征是：所述料液分配器（10）具体包括雾化针（11）、金属电极（20）和防水板（21）；
所述金属电极（20）为条形，均匀开孔，并通过高压电源线（17）与高压直流电源（18）连接，金属电极（20）通过金属板固定；所述金属电极（20）下方设有防水板（21），防水板（21）设有孔，雾化针（11）穿过防水板（21）。
3.根据权利要求2所述电喷雾微波协同果酒灭菌的装置，其特征是：所述雾化针（11）均匀分布于金属电极孔内，并通过螺丝固定。
4.根据权利要求2所述电喷雾微波协同果酒灭菌的装置，其特征是：所述雾化针（11）内径为0.06-0.3mm。
5.根据权利要求1所述电喷雾微波协同果酒灭菌的装置，其特征是：所述电喷雾灭菌装置中还包括灭菌灯（16）；所述灭菌灯（16）安装在电喷雾灭菌柜（9）内。
6.根据权利要求1所述电喷雾微波协同果酒灭菌的装置，其特征是：所述微波灭菌装置还包括雾化液输送泵（22）；所述电喷雾灭菌装置和微波灭菌装置连接的管道上设有雾化液输送泵（22）。
7.根据权利要求6所述电喷雾微波协同果酒灭菌的装置，其特征是：所述微波发生器（25）发射频率为915MHz与2450MHz两种微波源；所述灭菌管（24）以U形置于微波灭菌柜（23）内。
8.根据权利要求1所述电喷雾微波协同果酒灭菌的装置，其特征是：还包括控制柜（19）和温度传感器（26）；所述温度传感器（26）置于灭菌管（24）出口；所述；控制柜（19）控制物料输送泵（2）、进料阀（4）、出料阀（7）、调压阀（14）、高压直流电源（18）、雾化液输送泵（22）、微波发生器（25）和温度传感器（26）。
9.根据权利要求1-8之一所述装置，其特征是：将其应用于果酒灭菌。
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