基于計算流體動力學技術的橙汁高溫短時滅菌工藝優化

王金鋒，湯 毅，謝 晶*，袁訓宏，肖 虹

(上海海洋大學食品學院，上海 201306)

基于計算流體動力學技術的橙汁高溫短時滅菌工藝優化

王金鋒，湯 毅，謝 晶*，袁訓宏，肖 虹

(上海海洋大學食品學院，上海 201306)

為對果汁高溫短時滅菌工藝進行精確研究，在確保果汁品質時降低生產中的能耗，對罐裝橙汁的超高溫短時滅菌進行計算，分析果汁中常見的細菌，得出滅菌所需的最低溫度，在此基礎上，利用計算流體動力學(CFD)技術對橙汁的高溫短時滅菌方式進行模擬實驗，探討不同溫度條件下的滅菌最理想時間條件。結果表明：120℃(393K)、12min，125℃(398K)、11min，130℃(403K)、8min，135℃(408K)、7min為最理想時間條件；同時根據卡諾循環，計算高溫短時滅菌的能耗，得到單位質量橙汁滅菌的機械耗功率分別為127、150、217、263W。根據能耗最低的原則可以得到計算的滅菌溫度范圍中，最優滅菌工藝為120℃(393K)、12min。

果汁；高溫短時滅菌；熱滅菌；計算流體動力學(CFD)

高溫短時殺菌(HTST)是將食品加熱到100℃以上，進行短時間殺菌處理，目前果汁生產廠家較多采用高溫(100～135℃)的滅菌工藝，而且為了降低生產能耗和提高生產效率，生產過程中多采用預熱的工藝[1-3]，果汁經過預熱階段，預熱達到60℃至80℃不等的溫度，然后經過瞬時熱處理。現有的果汁滅菌方式基本上使采取熱滅菌的過度滅菌方式，即在滅菌溫度范圍中，延長滅菌時間以保證徹底滅菌的目的。過度滅菌一方面帶來果汁的營養和口味的損失，另一方面也帶來生產中能耗的增加。因此有必要對果汁滅菌的工藝進行精確地研究，在保證果汁品質的條件下降低能耗。

計算流體動力學(computational fluid dynamics，CFD)是基于計算機技術的一種數值計算工具，用于求解流體的流動和傳熱問題[4]。CFD計算相對于實驗研究，具有成本低、速度快等優點。20世紀60年代末，CFD技術已經在流體力學各相關行業得到了廣泛的應用[4]。

CFD在果汁滅菌的傳熱分析中得到了廣泛的應用。在果汁的熱處理過程，為了保證對食品顏色、質地和營養的破壞程度最小化期望果汁能夠均勻快速地加熱到預設的無菌狀態[5-6]，一般生產中，利用估算的果汁的

平均溫度來分析果汁的滅菌效果和滅菌后的果汁質量。利用CFD對這些估算進行計算證實了實際生產中的滅菌時存在過度滅菌的現象[5]。Siriwattanayotin等[7]利用CFD技術計算了孢子生長速率和最慢加熱區(SHZ)的溫度隨時間的變化。Abdul等[8]利用CFD技術計算了在靜止狀態下罐裝果汁類食品滅菌過程中最慢加熱區的瞬時特性，他們的研究揭示了罐內傳熱的狀態和時間是有密切關系的。Tattiyakul等[6,9]利用CFD研究發現罐裝食品在滅菌中旋轉(引起強制對流)會加速加熱的均勻化。Abdul等[10]研究了強制對流和自然對流的滅菌效果，發現強制對流是自然對流的4倍。最近CFD技術在滅菌過程中的研究也開始著眼于容器的形狀對滅菌效率的影響上[11-12]，研究發現圓錐形頂部朝上的容器可以快速達到滅菌溫度。許多的CFD技術對果汁滅菌的研究在進一步深入[13-17]，其中Kannan等[15]進行對罐裝食品滅菌中的傳熱系數進行了研究，并總結得到了Nusselt數關于Fourier數的實驗關聯式。截止目前，關于果汁滅菌精確工藝和能耗計算方面的研究尚未見報道。

結合CFD技術和卡諾定理對罐裝橙汁在高溫短時滅菌的工藝進行優化，為進一步發展果汁的高溫短時滅菌工藝提供依據。

1 罐裝橙汁高溫短時滅菌CFD模型的建立

1.1 罐裝橙汁的計算尺寸

高溫短時滅菌的橙汁罐高度為20cm、直徑為5cm。詳細參數由文獻[18-19]定義：ρ=1026kg/m3，Cp=3880J/ (kg·K)，k=0.596W/(m·K)，熱對流密度[20]為α=600W/ (m2·K)。

1.2 罐裝橙汁的計算條件

圖1 罐裝橙汁的網格劃分Fig.1 Mesh of canned orange juice

如圖1所示，計算網格為20×80=1600，采用二維軸對稱模型進行計算，邊界為壁面，中間為橙汁。計算的初始條件：27℃(室溫)。二維軸對稱模型的計算結果與三維圓柱形模型的計算結果是完全一致，采用二維的模型可以在計算中節省大量的計算時間。考慮到微生物的耐熱性不同[21]和生產廠家的生產實際需求，選擇高溫滅菌溫度在120～135℃的范圍內，因此，計算中選擇壁面溫度范圍為120～135℃。

2 罐裝橙汁高溫短時滅菌的數值模擬

2.1 滅菌溫度

一般果汁中的細菌的致死溫度都不高，大腸桿菌一般在72℃左右、沙門氏菌為71.1℃、肉毒梭菌為80℃[22]。另外，由于果汁中的酸性一般都比較低，果汁的pH值一般都在2～4之間，這對細菌的成長也起到了一定的抑制作用[23]，所以在計算中以80℃作為罐裝橙汁滅菌徹底的目標。

2.2 穩態溫度場的計算

圖2 穩態狀態下橙汁的高溫短時滅菌的溫度場分布Fig.2 Temperature-field distribution of HTST sterilization for orange juice at the steady state

由圖2可以看出，橙汁的高溫短時滅菌穩態溫度場中的溫度是一個定值，即可以達到滅菌的溫度，這種溫度場的分布對滅菌是最理想的。但是由于實際生產中滅菌是一個非穩態瞬時的過程，所以需要計算不同滅菌時間下的溫度場的分布以研究滅菌的效果：既要保證滅菌徹底，又要保證不能過度破壞營養成分。

2.3 非穩態溫度場的計算

在非穩態模擬計算中，各個溫度滅菌條件下的中心溫度并不一致，與壁面的溫度存在一定的差異，這表明短時間內由壁面傳遞到橙汁中心的熱量還無法使溫度均勻。而中心溫度是否達到要求的滅菌溫度或者是可以抑制絕大部分有害細菌生長的溫度，是計算中需要關注的重點問題。圖3是120(393K)～135℃(408K)狀態下處于非穩態條件不同時間的橙汁的高溫短時滅菌溫度分布。

橙汁在經歷高溫短時滅菌過程中，不同時刻的中心溫度與周圍邊界(壁面)溫度有很大的差別，在120℃(393K)時加熱6min時中心溫度為335K，周圍邊界的溫度380K，兩者相差45K。這是由于橙汁與周圍的罐壁通過熱傳導和熱對流進行熱量的傳遞時需要一定的時間，因而導致了中心溫度和壁面溫度存在一定的溫度差。

圖3 非穩態狀態下橙汁高溫短時滅菌的溫度場分布Fig.3 Temperature-field distribution of HTST sterilization for orange juice at the unsteady state

由圖3可知，在不同的滅菌時間下，橙汁的中心溫度分布也不同。同樣6min的滅菌時間，120～135℃滅菌溫度的中心溫度也不相同，而中心的溫度是橙汁罐中的最低溫度。經過模擬實驗得到在120℃(393K)，6min條件下的高溫短時滅菌條件下的中心最低溫度為335K(62℃)，還不能滿足80℃的滅菌要求。130℃(403K)、8min的高溫短時滅菌條件下橙汁的中心溫度為354K，高于目標滅菌溫度80℃(353K)。因此130℃(403K)的滅菌溫度條件下，最優化的滅菌時間為8min。同理，可以得到120℃(393K)，最優滅菌時間12min；125℃(398K)，最優滅菌時間11min；135℃(408K)，最優滅菌時間7min。

對于在120℃(393K)，6min條件下的高溫短時滅菌，雖然中心溫度與80℃的滅菌標準相差18℃，由圖3d可以看出，溫度場中存在360～380K的等溫線。因此減少橙汁罐的直徑，就可以實現縮短橙汁滅菌的時間。

3 罐裝橙汁高溫短時滅菌的能耗分析

3.1 高溫短時滅菌的能耗計算方法

在橙汁的高溫短時滅菌中，由于初溫相同(計算中取27℃)，橙汁焓值的初始值相同，為7178J/kg，經過模擬在120℃、12min的加熱滅菌條件下焓值的最終值為301398.9J/kg。表1是各種高溫短時滅菌工藝過程的焓值、焓差。

假設T2為橙汁的初始溫度(27℃)，T1為加熱滅菌溫度(分別為120、125、130、135℃)。

單位質量橙汁加熱滅菌的機械耗功率為

3.2 最佳滅菌工藝的確定

根據式(1)～(3)可以計算得到不同滅菌過程的能耗(表1)。在120℃、12min時的機械耗功是127W；125℃、11min時的機械耗功是150W；130℃、8min時的機械耗功是217W；135℃、7min時的機械耗功是263W。由此可知，120℃、12min時的滅菌溫度和時間的組合是最優化的滅菌工藝。

表1 各種高溫短時滅菌工藝的能耗比較Table1 Comparison on energy consumption of HTST sterilization at different temperatures

4 結 論

利用CFD技術對罐裝橙汁的高溫短時滅菌工藝進行數值計算，對橙汁在不同滅菌溫度：120(393K)、125 (398K)、130(403K)和135℃(408K)條件下在各個不同時間的溫度場進行計算，得到了不同溫度下的最佳的滅菌的時間，分別為12、11、8、7min。利用卡諾定理計算各種高溫短時滅菌工藝的單位質量橙汁滅菌的機械能耗，分別為127、150、217、263W。最終得到了最優化的滅菌的工藝：120℃(393K)、12min。本研究結果可為果汁生產滅菌工藝提供參考。

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Optimization of HTST Sterilization Processing for Orange Juice Based on CFD

WANG Jin-feng，TANG Yi，XIE Jing*，YUAN Xun-hong，XIAO Hong
(College of Food Science and Technology, Shanghai Ocean University, Shanghai 201306, China)

In order to explore the accurate sterilization processing with reduced energy, orange juice in bottle was used as the material to subject high temperature-short time (HTST) sterilization for analyzing the lowest sterilization temperature on common bacteria. Computational fluid dynamics (CFD) technology was used to design the mimic experiments of HTST sterilization for orange juice to explore the optimal sterilization time under different temperatures. Results indicated that the optimal sterilization time was 12 min at 120 ℃, 11 min at 125 ℃, 8 min at 130 ℃ or 7 min at 135 ℃. Meanwhile, the energy consumption in above-mentioned four conditions were 127, 150, 217 or 263 W according to the calculation of Carnot cycle. Based on the lowest energy consumption principle, the optimal sterilization processing was 12 min at 120 ℃.

juice；ultra high temperature short time sterilization；thermal sterilization；computational fluid dynamics (CFD)

TS255.44

A

1002-6630(2010)22-0115-04

2010-07-08

上海高校選拔培養優秀青年教師科研專項(ssc09010)；上海市教育委員會重點學科建設項目(J50704)

王金鋒(1976—)，女，講師，博士，研究方向為食品冷凍冷藏技術。E-mail：jfwang@shou.edu.cn

*通信作者：謝晶(1968—)，女，教授，博士，研究方向為食品冷凍冷藏、食品安全。E-mail：jxie@shou.edu.cn