連續式氣流速熱粉體殺菌技術介紹

侯祥英，范逸文

上海士為智能設備有限公司（上海 200235）

殺菌工序是保證食品、藥品安全的重要工序。殺菌方法主要是通過清洗、藥劑、臭氧、輻照、環氧乙烷、電子束、加熱殺菌等，對產品質量會產生不同影響，如：輻照殺菌會造成產品的化學性質改變，國家要求龍膽、秦艽藥材、飲片、藥粉及含有龍膽、秦艽的半成品原粉不得輻照[1]；環氧乙烷的藥劑殘留和環境污染等，都需采用更環保、安全的殺菌方法。

加熱殺菌是一種良好的殺菌方式，其優點是無殘留且設備簡單。缺點是殺菌時間長達幾十分鐘，一方面殺菌效率低、粉體易結塊。另一方面，高溫加熱時間過長，也會破壞產品中有益蛋白物質、酶類、色素等成分，降低產品品質。

鑒于現階段殺菌技術存在問題，介紹一種連續式氣流速熱粉體殺菌技術。該技術使用過熱飽和蒸汽，在一定壓力條件下，在保溫管道內以氣力輸送的形式對粉體進行殺菌，然后將過熱蒸汽和粉體冷卻、分離，完成殺菌。該技術在香辛料、茶類、殼類、植物莖葉類等產品領域有著廣闊的應用前景。

1 技術背景介紹

1.1 過熱蒸汽作為殺菌介質的有利條件

過熱蒸汽具有狀態循環過程（圖1），1個大氣壓條件下，水蒸氣溫度100 ℃時，如果繼續給予熱量加熱，就會變成100 ℃以上氣體狀態的干水蒸氣（圖2）。這種狀態的水蒸氣被稱為過熱水蒸氣[2]。

圖1 水蒸氣的狀態循環過程

圖2 1個大氣壓下的水蒸氣狀態圖

過熱水蒸氣的比熱大，標準狀態下，過熱水蒸氣的比熱在2.1 kJ/（kg·K），空氣的定壓比熱容為1.01 kJ/（kg·K），如表1所示[2]，過水熱蒸氣有著比熱空氣大2倍的比熱。

表1 過熱蒸汽和空氣的物理特性

過熱蒸汽有較高的傳熱系數，波特等用流化床干燥機，干燥煤炭得出過熱蒸汽干燥時的傳熱系數為200~500 W/（m2·K），而同樣條件下熱風干燥的傳熱系數僅為20~50 W/（m2·K）[3]。日本的桐榮良三對過熱蒸汽干燥的逆轉點（inversion point）溫度進行理論研究，并推導出逆轉點值的計算公式，該逆轉點模型已被很多學者所證實[3]。過熱水蒸氣干燥的整個環境中僅有一種氣體成分HO2存在，傳質阻力可忽略不計。研究證明，對于直徑1 mm的水滴在150 ℃的過熱蒸汽中只需10-6N/m2的壓力差即可為蒸汽的擴散提供充分的驅動力[4]。

1.2 加熱殺菌原理

1.2.1 微生物加熱殺菌的基本原理

微生物加熱殺菌的基本原理是破壞微生物的蛋白質、核酸、細胞壁和細胞膜導致其死亡。干熱殺菌和濕熱殺菌對微生物蛋白質破壞的機制不同，試驗證明，干熱殺菌是由于氧化作用速率增加、蛋白質變性、電解質濃縮引起中毒，從而致細胞死亡。濕熱殺菌是微生物蛋白質受到熱力作用而變性，大量的疏水基暴露于分子表面并互相結合成為較大的聚合體而凝固、沉淀。蛋白質凝固變性所需的溫度隨其含水量而變化：含水量50%時，蛋白質凝固溫度為56 ℃；含水量降25%時，凝固溫度升到74~80 ℃；含水量0時，凝固溫度達到160~170 ℃。由此可見，濕熱殺菌比干熱殺菌所需溫度低、效率快[5]。

1.2.2 微生物的耐熱性

根據微生物的熱力致死速率曲線或活菌殘存數曲線及D值（式1）[6]和F0值、Z值定義，結合式（2）[7]可推導出任意溫度θ的Dθ值（式3），結合表2[8]可以計算出對食品安全具有重要影響的微生物在高溫情況下的D值（表3）。

表2 對食品安全具有重要影響的微生物

表3 食品安全具有重要影響的微生物計算表

式（1）中：N0為原始菌數，個；t為經過一段熱處理時間，s；N為為存菌數，個；n為在某一熱力致死溫度條件下，在規定的時間內，將細胞或芽孢減少到某一程度（10-n），10-n中的n稱為遞減指數，其含義同（式3）中n的含意，無單位。微生物在受熱溫度提高后，D值迅速減小，肉毒梭狀芽孢桿菌128.7 ℃時，最長也只有9.712 533 s，在溫度Ⅲ 143.75 ℃時D值減少到0.303 621 s，說明在該溫度下微生物由原來的菌群數減少90%只需0.303 621 s。提高受熱溫度后D值迅速減少的數據，為氣流速熱殺菌技術提供理論依據。

1.3 滅菌后粉體物料的儲藏

干燥保藏是指在自然條件或人工控制條件下降低產品中的水分，從而抑制微生物活動、酶活及各種生化反應，達到抑制微生物生長、延長產品貯藏期的目的。產品中的水分為結合水和自由水2種狀態。結合水處于與食品成分沒有結合的游離狀態，會隨環境和溫度濕度的變化發生位移[9]。在抑制微生物生長過程中，自由水比例更為重要，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時，能生長的微生物極少，氣流速熱滅菌后的產品水分很少，滅菌后可以直接儲藏達1~2年。

表4 一般生物生長的最低Aw值

接表4

2 技術介紹

2.1 氣流速熱殺菌工藝流程

連續進行粉粒體和過熱蒸汽的混合，根據原有微生物數量，保持N倍的D值時間，然后使過熱水蒸氣和物料分離，就可以完成粉體的滅菌，運行原理見圖3。

圖3 氣流速熱滅菌原理圖

飽和水蒸氣分別進入02，11和14。01調節飽和水蒸氣的流量，02將飽和水蒸氣加熱成過熱蒸汽，過熱蒸汽通過管道流入05，與通過03和04進入高壓旋轉閥內的粉體物料混合，隨著05的轉動進入，06開始殺菌。06外部設計保溫夾套，夾套不僅是保溫，還提供給滅菌管路內部熱量補償。通過殺菌管路的粉體進入07，在這里過熱蒸汽和粉體分離。在粉體進入06到從07中分離，整個過程都是殺菌過程，時間1~5 s。

粉體在殺菌后通過兩次的混合無菌熱風完成降溫。粉體通過07下面05輸送出來，與通過10，11和12產生的高溫無菌熱風混合，這樣完成第1次降溫。同理通過08出來的物料與13，14和15的輸出低溫無菌熱風混合進入09，完成第2次降溫。在09的出口完成殺菌粉體的收集，實現了粉粒體物料的殺菌。圖4是氣流速熱殺菌設備照片。

圖4 氣流速熱殺菌設備

2.2 粉體殺菌實例

采用氣流速熱殺菌設備進行松針粉、脫水西洋菜葉、綠茶、辣椒粉、辣椒顆粒還有部分中藥原生粉的測試，殺菌時間在1~5 s，進行殺菌前后的對比見表5。大腸菌群在所有殺菌條件下均為陰性。真菌類在所有殺菌條件下均在300 CFU/g以下，可以確認殺菌取得明顯的效果。

表5 氣流殺菌微生物變化表

表6 松針粉滅菌前后含水率和水分活性表

氣流速熱殺菌使得物料的風味、顏色和揮發性物質的損失最小。含水率、Aw值隨著殺菌壓力的增高也逐漸上升，但無論在哪個殺菌條件下，數值上Aw也遠低于0.65的微生物繁殖條件。

粉體滅菌后的色差變化如圖5所示。相關研究文獻[13]表明，不同色澤粉粒體物料顏色變化略有差異，隨滅菌壓力提高，在接受范圍色澤會加深。

圖5 滅菌前后顏色對比

2.3 氣流速熱殺菌強度可調

氣流速熱殺菌的殺菌強度，可以通過殺菌壓力、殺菌溫度和殺菌時間進行調整，尤其是殺菌壓力的調節在食品添加劑的殺菌上作用明顯。首先食品添加劑中微生物的殺滅，殺菌溫度不能過高、殺菌時間不能過長，在滅殺微生物的同時又要保留有效成分，這需要比較精準的殺滅參數。試驗從殺菌壓力0.05~0.07 MPa，順序提高壓力，壓力提高殺菌效果越好，有效成分損耗變大，在0.05~0.06 MPa區間，有效成分和殺菌效果得到很好的平衡，結果如表7所示。

表7 某食品添加劑試驗記錄表

3 討論

隨著技術的成熟，過熱蒸汽速熱殺菌技術在國外被大量使用。日本在80年代就推出連續式過熱蒸汽滅菌設備，包括有斯托克-布克弗德（Stork-Bokfard）連續結構、氣流速熱式結構、高速攪拌結構殺菌設備[6]，并不斷進行著技術完善。我國因為對輻照設備認知不足，早期投入大量技術進行輻照設備的開發，影響過熱蒸汽滅菌的技術力量的提高積累，在過熱蒸汽滅菌設備領域，落后歐洲和日本。相對應的粉體制成工藝流程也與國外成熟做法不同，法國的賽福德、荷蘭的Ventilex、日本的川崎生產的過熱蒸汽設備，技術不同于氣流速熱滅菌，因為適用面廣泛，在粉體滅菌領域有著廣泛市場，有待我們進一步開展研究。

4 結論

通過對使用氣流速熱殺菌設備超過6個月的客戶進行回訪，殺菌效果能夠完全達到要求，尤其是使用純化水制成過熱蒸汽的客戶，殺菌效果非常理想，為客戶產品出口歐洲和日本創造了豐厚利潤，同時也提高了客戶的國際市場競爭力。