CN117202792A - 用于在适中温度下高压加工的载体 - Google Patents
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Abstract
用于在卧式机器中在适中温度下对食品、饮料、化妆品、药品或生物制品进行高压加工(HPP)的载体。该载体包括圆柱形主体、容纳产品的内部空间(3)以及沿载体侧壁纵向分布的一个或多个小开口(4)。该载体还具有一个或多个用作压载物(5)的内部件，放置在开口的直接相对的侧壁上。所述部件被一片或多片在压缩时具有高绝热加热特性的材料(6)涂覆。该载体防止热量损失，最小化内部温度梯度。因此，它允许开发利用压力和温度之间的协同效应的应用，由于它重量轻、易于操作且价格低廉，因此在卧式HPP商业机器中具有简单的工业实施。
Description
技术领域
本发明涉及在卧式高压加工(high pressure processing)(HPP)机器中使用本发明的载体在适中温度下对诸如食品、饮料、化妆品、药物或生物物质的产品的HPP。
发明背景
高压加工(HPP)是一种利用高静水压力来加工诸如食品、饮料、化妆品、药物或生物物质等多种产品的技术。典型的HPP条件为250至600MPa(2500至6000bar或36,000至87,000psi)，在冷藏或室温下持续几秒钟或几分钟。
自2019年以来，HPP有两种主要加工概念：预包装产品(称为“包装内HPP”)和散装液体(称为“散装HPP”)。包装内HPP加工是唯一需要使用载体的加工。这是一个包含不同步骤的批量后包装工艺。首先，将产品装载到一个或多个载体中(产品装载步骤)，该载体也称为罐、篮或容器。然后，将它们引入高压加工室或容器中(载体装载步骤)。然后用低压加压流体(通常是水)填充容器(容器预填充步骤)。然后，将容器通过每端的塞子和楔子封闭，并将加压流体通过高压增强器系统或高压泵泵入容器中，直到达到所需压力(压力建立步骤)。将压力保持几秒钟或几分钟(压力保持时间步骤)。然后，在几秒钟内释放压力(减压步骤)，打开机器(移除塞子和楔子)并将产品载体从机器上卸载(载体卸载步骤)。最后，将产品从载体上卸载(产品卸载步骤)。除了产品装载和卸载之外，这一系列步骤通常称为“HPP循环”。
目前的工业HPP机器采用卧式设计。与立式设计相比，它提高了可追溯性并方便了载体装卸步骤。
由于HPP技术依赖于等静压/静水压，因此容器内产生的压力同时均匀地分布在产品内的各个方向上。因此，微生物和/或酶的灭活不依赖于产品和/或包装的尺寸或形状。HPP的好处是提高产品的安全性和保质期，在某些情况下还可以进行大分子修饰，同时保留其大部分原始感官、营养和功能特性。这项技术得到了广泛传播，几乎所有食品类别都有HPP商业应用，例如油梨产品和其他植物性蘸酱、肉类和海鲜产品、即食食品、乳制品和果汁以及其他饮料(González-Angulo等，2021)。还有一些由HPP加工的生物、化妆品和医药商业产品。
HPP被认为是一种非热工艺，因为加压流体和产品在循环开始时被冷藏或处于室温。然而，由于加压流体的可压缩性，所以在压力建立期间，所述流体以及产品的温度增加。在绝热条件下(即没有与容器及其封闭件或塞子进行热交换)，加压流体(通常是水)和水基产品的温度每增加100MPa，温度就会升高约3℃(Balasubramaniam等，2015)。初始温度越高，温度升高得越高。由于绝热压缩引起的加压流体和产品的温度升高是快速且均匀的(在整个产品中相等)，而容器壁和塞子的温度不会改变。这会在容器内部产生温度梯度，这是由加压流体与容器和塞子的接触促进的传导和对流效应引起的。尽管在低温下梯度很小，但是它们仍然存在于标准HPP载体内，即使容器壁、加工液和产品在循环开始时均设置为10℃(Grauwet等，2010)。对于对温度非常敏感的酶，在这些条件下，失活可能会有所不同，具体取决于样品在载体中的位置。相反，微生物在冷藏或室温下的压力灭活对温度的依赖性较小，在载体的不同位置没有显著差异。当温度高或起始温度高于室温时，不会观察到同样的情况。
传统的HPP技术在冷藏或室温下适用于许多产品。然而，一些产品具有一些特定的耐压细菌和酶。在这些情况下，压力和热量的结合可用于额外的微生物灭活，因为压力和温度之间的协同效应已被报道。这种协同作用允许通过将高压与温和或适中温度相结合来实现所需的灭活水平，即初始温度介于25和60℃之间，而传统热处理通常使用高温。事实上，热巴氏灭菌或灭菌需要的温度分别高于60或115℃。根据具体产品和加工时间，它们甚至可能需要更高的温度。上述压力和温度协同作用的另一个优点是绝热压缩在整个产品中快速且均匀地传递热量，消除产品内的温度梯度，并允许产品的温度在减压时返回到接近其初始值。因此，与传统热加工相比，这种组合工艺显著减少了产品暴露在高温下的时间，并且由于食品更好地保留了其营养和感官特性，因此可以提供更高质量的产品。
专利AU 2016291298 B2中可以看到压力和中热相结合的示例。它描述了高压(600MPa)和温度(初始温度为33-37℃，在压力保持步骤中温度为50-55℃)的组合，其显著降低牛奶中的病原体水平。值得注意的是，牛奶通常在较高温度下进行热加工，这通常会降低一些营养和感官特性。高压和适中温度的结合允许更好地保留所述特性。
与微生物类似，结合的压力和中热的协同作用通常导致更高的酶失活率。上述效果已在文献中报道过。以芒果泥为例，据报道，在压力保持时间步骤中，在34℃下施加500MPa的压力2分钟，仅使10％的果胶甲酯酶(PME)和过氧化物酶(POD)失活，并且没有对多酚氧化酶(PPO)的影响。然而，当在59℃施加相同的压力和时间条件时，据报道PME、POD和PPO分别失活65％、35％和40％(Morales-de la等，2018)。
尽管HPP和温度对食品中微生物和酶的影响有很多研究(Bermúdez-Aguirre等，2016)，但是其应用尚未达到商业化阶段，主要是因为在所需的高压以及高资本和/或运营成本下适当控制温度存在技术困难。
有两种在高压和高温下进行加工的方法或策略。第一个涉及开发能够在高压和高温下运行的特定工业HPP机器，这是非常复杂的。目前，没有可用于工业目的的商业单位。高压容器特别是大容量容器内的温度均匀性，是高压机械行业面临的巨大挑战。由于这些原因，因此世界上只有少数机器配备了容器和塞子的温度调节系统。这些仅用于实验室和中试工厂的研究目的。第二种方法意味着使用商业HPP机器(没有容器和塞子的温度控制)和绝缘载体。这些载体通过避免或最小化产品及其周围流体的热损失，允许在高温下的压力加工。它们与在冷藏或室温下用于HPP循环的标准载体有很大不同。如前所述，商业包装内HPP机器使用载体来批量工作以放置产品。尽管有多种类型，但是最常见的载体通常由塑料材料制成，例如低密度聚乙烯(LDPE)。它们的特点是顶部有大开口，便于装卸产品，壁、底部和侧面有孔，有利于加压流体的移动和循环结束时的排水。在此工艺中，由于这些标准载体的设计不能避免温度梯度，因此容器壁、加压流体和产品之间会发生热交换。当在寒冷或室温下开始时，这些小梯度并不是该工艺的重要参数。然而，当温度是工艺的关键参数之一时，需要避免大的温度梯度。因此，人们提出了不同的策略来开发适用于涉及高压和高温的工艺的绝缘载体。
US 9545122 B2概述了一种绝缘水密载体(称为进料罐)，其特征在于具有内部空间填充流体的双壁，以及将压力传递至载体内部的活塞。它包含温度控制电气装置，其可以允许压力与脉冲电场或欧姆加热相结合。这是一个非常复杂的解决方案，可能会导致可靠性问题。此外，活塞的使用提高了载体的价格并且使产品装载和卸载步骤复杂化。此外，双壁减少了产品的可用体积，导致填充率低，从而降低了生产率并增加了加工成本。另外，所描述的载体很重，因此不可能手动搬运并且需要使用搬运系统。
AU 2016310416 B9示出了一种用于在高温下对食品加压的绝缘多层载体(称为容器)。该载体背后的原理是完全隔离预热的食品，其(产品和载体本身)温度由于绝热压缩加热而进一步升高。由于载体是不透水的，所以内部压力由载体的外部产生，并通过位于其末端之一的自由活塞传输，该活塞也充当塞子。该载体有效地保持内部温度(100℃以上)。尽管该解决方案比US 9545122 B2复杂和昂贵，但是对于手动操作来说仍然很重并且它没有解决装载/卸载问题。此外，这种多层解决方案减少了载体的内径，从而减少了产品的可用体积。
2001年提交的US 7220381 B2描述了一种在受控温度下压力加工产品的方法。尽管该专利要求保护的是所使用的方法，但还描述了用于该过程的绝缘载体。载体具有绝缘内层，充当产品和容器壁之间的屏障。该载体设计为垂直操作，因为二十年前HPP机器都是垂直定向的。该解决方案不适用于卧式HPP机器。此外，绝缘内层减少了产品的可用体积，降低了生产率并增加了加工成本。
总体而言，通过将HPP与适中温度相结合来增强HPP理想效果的可能性引起了人们的极大兴趣。然而，与设计和建造能够在压力下控制高温、最小化温度梯度的工业机器相关的挑战使得它们的设计非常困难。为了允许将当前的HPP工业机器与温度结合使用，一些发明人专注于开发完全绝缘的载体。然而，到目前为止，所有现有的解决方案都是针对高温(高于100℃，旨在对产品进行灭菌)而不是适中温度进行优化。所有这些都描述了复杂、笨重、昂贵、填充率较低和/或不适合卧式机器的载体。因此，对于适中温度，需要设计一种简单、轻便、和廉价的载体以适合水平加工，其不会降低填充率，并且易于装卸产品。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于食品、饮料、化妆品、药品和/或生物制品的高压加工的载体，其解决了上述缺点，因为其能够在高压和适中温度(初始温度在25℃和60℃之间)下有效地加工产品。它专门设计用于水平操作，因此它是使用当前商业HPP机器(卧式且无需对机器的容器和塞子进行温度调节)将HPP和适中温度相结合的合适解决方案。
本发明的载体包括形成圆柱形主体和内部空间的一个或多个部分，其中容纳产品和加压流体，该内部空间具有穿过载体侧壁纵向分布的一个或多个小开口。充当压载物的一个或多个部件安装在开口的相对侧上的载体的内壁上。所述部件被一片或几片材料涂覆，该材料在压缩下具有比加压流体更高的绝热加热。
为了防止载体在HPP循环期间旋转，将压载物部件连接到载体的预期内底部，以将其重心降低到浮力中心以下，并最好将两者保持在垂直线上，以改善稳定性。所述压载物必须优选地由塑料制成，以便在意外接触的情况下不会损坏容器，其密度高于任何给定时刻的加压流体的密度。压载物确保载体的开口在HPP循环期间始终朝上，因为它们位于相对的侧壁上，角度介于135°和225°之间。
由于保压期间容器上部和下部的温差较大(超过10℃)，所以对流对工艺影响很大。载体中小开口数量的减少，优选地覆盖小于1％的载体总表面，最小化由于对流造成的热量损失。同时，它们纵向分布，以允许加压流体循环和空气释放，避免由于填充和压力增加而塌陷。此外，上部开口不仅允许加压流体适当地向载体内部流动，还确保进入载体的流体来自高压容器的上部，其比下部的流体更热。
压载物部件由一片或多片材料涂覆，该材料在100-800MPa的压力下具有比加压流体更高的绝热压缩加热。热传导受到限制，因为该涂层充当屏障，使产品远离容器底部(最冷的区域)。该热涂层还减小了载体上部和下部之间的温度梯度，因为其绝热压缩加热高于加压流体，因此它加热底部的加压流体。因此，它在载体内部保持均匀的温度分布。
该载体包括形成圆柱形主体和内部空间的一个或多个部分，因此用于标准HPP载体的任何现有封闭件都是合适的，例如圆柱形主体的仅一端有一个盖子，两端各有一个盖子，由两个半圆柱形部件形成的主体，可以在铰链上枢转以形成圆柱形载体，等等。因此，虽然本发明的载体不是水密的，但是一旦装载有产品，除了上述开口之外，载体就完全封闭。
与现有技术相比，本发明的载体显示出许多优点，并且为迄今为止尚未实现的适中温度下的HPP加工提供了可靠且有效的解决方案。它使载体内的产品温度在适中温度范围内保持恒定且均匀，因为它最小化了由于传导和对流引起的热量损失。而且，它允许使用任何尺寸的HPP商业机器进行加工，无论容器的直径如何，以及具有各种包装的产品。此外，由于其壁不厚，所以本发明的载体具有与标准HPP载体相似的内部体积，因此它保持了标准载体的生产率。此外，它的实施很简单，并且比其他方法(例如绝缘载体或带有活塞的防水罐)便宜至少十倍。本发明的载体还比那些罐更轻，因此它可以像标准HPP载体一样被手动搬运。
附图说明
为了帮助更好地理解本发明的特征并补充本说明，附有作为本发明的组成部分的下列附图，这些附图以说明性而非限制性的方式表示如下：
图1示出了本发明的载体的优选实施方式的立体纵剖面。
图2示出了本发明的载体的优选实施方式的横截面。
图3示出了本发明载体的优选实施方式。
图4示出了通常用于商业HPP机器的标准HPP载体。
图5示出了在压力循环期间(600MPa，持续180秒的保持时间)，标准载体内的加压流体与按照本发明所述设计的载体相比的温度分布(℃)的图示，包括压力建立和减压步骤。
发明的优选实施方式
图1示出了本发明的载体的优选实施方式的纵向视图。它由两部件组成，腔室(1)和盖子(2)，优选由低密度聚乙烯(LDPE)制成，形成封闭内部空间(3)的圆柱形主体，其中放置待加工的产品。其上设有数个小孔(4)，这些小孔排列成一条直线，并沿载体侧壁的长度分布。在相对侧，以180°角度将两个充当压载物(5)的部件安装在载体的内壁上。这些部件优选地由高密度塑料制成，例如聚四氟乙烯(PTFE)，其具有与水(最典型的加压流体)类似的绝热压缩，从而不会充当散热器。所述部件被绝热压缩加热高于水的材料片(6)涂覆。该片材优选由高密度聚乙烯(HDPE)制成，因为它在HPP循环期间在压力下比水加热得更多，通常高达600MPa。
在HPP循环开始时，具有产品的载体被推入高压容器内，压载物在底部。然后将容器充满水或加压流体。当加压流体向内流动时，产品周围的空气通过载体顶部的孔(4)排出。一旦充满，加压水就被泵入容器中以达到所需的压力水平。在任何时刻，高密度压载物(5)都会阻止载体旋转，确保孔始终朝上，确保流入载体的水来自容器的上部。在加压步骤中，由于绝热压缩，加压水和产品的温度每增加100MPa，温度就会增加约3℃。热涂层(6)使产品远离容器底部，这是最冷的区域。此外，由于HDPE的绝热压缩加热高于水，因此它可以加热载体底部的水。因此，本发明的载体在压力保持时间期间保留热量，从而在其所有内部空间中保持稳定且均匀的温度分布。
本发明的载体专门设计用于水平操作，因此它是使用当前商业HPP机器(卧式和无需机器容器和塞子的温度调节)将HPP(从100MPa到800MPa)和适中温度(初始温度在25℃和60℃之间)结合的合适的解决方案。
鉴于本说明书和附图，本领域技术人员将理解，已经根据本发明的某些优选实施方式描述了本发明，但是在不超出本发明的目的的情况下，可以在所述优选实施方式中引入多种变化。
实施例
一个实施例是通过说明本发明的实施方式的方式提供的，并且不旨在限制或约束本发明。
标准载体(图4)和按照本发明所述设计的载体(图3)完全装载有含有水基液体产品的瓶子(250ml瓶)并预热至35-37℃。使用两个无线温度探头测量和记录载体内加压流体(水)的温度，该探头适合承受高压，刚好位于两个载体的同一位置。
所述探头的特征在于防水不锈钢主体，设计用于容纳数据记录器和电池并保护数据记录器和电池免受高压。探头的两侧由塞子封闭。一侧连接热电偶以测量温度，另一侧配有直通天线，可将数据从数据记录器无线下载到接收器，而无需打开探头。
然后将载体装入HPP机器(Hiperbaric 55型号，容器直径＝200mm)并进行典型的商业HPP循环(压力＝600MPa/6000bar；保持时间＝180秒)。值得注意的是，加压流体的初始温度为大约35-37℃，与HPP行业目前使用的5-25℃范围不同。
在压缩阶段，两个载体中的加压流体的温度由于压力增加产生的绝热加热而增加。然而，如从图5中可以看出，本发明的载体内部的增加稍高。此外，本发明的载体在180秒的压力保持时间内成功地保持所达到的温度(大约55℃)稳定。相反，标准载体内部的加压流体的温度在整个保持时间内连续降低，在保持时间结束时达到比本发明的载体低约10℃。循环结束时的压力释放导致流体相应的温度下降至本发明的载体中的大约初始温度，并且在标准载体中比初始温度低大约10℃。
参考文献
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Claims (7)
1.一种在卧式机器中通过高压加工(HPP)和适中温度来加工产品的载体，其中所述载体包括形成圆柱形主体和内部空间(3)的一个或多个部分，其中所述产品和加压流体容纳在内部，具有一个或多个小开口(4)，其特征在于，所述开口(4)穿过所述载体侧壁纵向分布，并且所述载体具有安装在所述开口相对侧的内壁的一个或多个充当压载物(5)的部件，其中所述部件被一片或几片(6)材料涂覆，所述材料的绝热压缩加热高于所述加压流体。
2.根据权利要求1所述的载体，其中所述开口与所述压载物部件之间的角度在135°和+225°之间。
3.根据前述权利要求中任一项所述的载体，其中所述开口和所述压载物部件之间的角度为180°。
4.根据前述权利要求中任一项所述的载体，其中所述压载物包括由密度高于在任何给定时刻的所述加压流体的密度的材料制成的一个或多个纵向部件。
5.根据前述权利要求中任一项所述的载体，其中所述开口或多个开口覆盖小于1％的所述载体的总表面。
6.在卧式机器中高压加工(HPP)产品的方法，包括以下步骤：
a)将所述产品装载在一个或多个根据前述权利要求中任一项表征的载体中，其中所述产品具有25℃和60℃之间的初始温度，
b)将所述载体引入高压容器内，
c)用加压流体填充所述容器，其中所述加压流体具有25℃和60℃之间的初始温度，
d)关闭所述压力容器，
e)将所述加压流体泵入所述容器中，直至达到所需压力，范围为100MPa至800MPa，
f)保持所述所需压力几秒钟或几分钟，
g)释放所述压力，
h)打开所述压力容器，
i)所述产品载体的卸载，
j)所述产品的卸载。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述产品是食品、饮料、化妆品、药物和/或生物物质。
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