三級(jí)梯度冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)及優(yōu)點(diǎn)分析

劉烈淼 北京元鮮記食品科技有限公司 張小利 內(nèi)蒙古科技大學(xué)數(shù)理與生物工程學(xué)院 薛 明 曹永安 北京元鮮記食品科技有限公司

果蔬產(chǎn)品加工時(shí)，不管是采用巴氏殺菌法，還是采用高溫高壓殺菌方式，冷卻工藝都是加工過程中的必備工序，冷卻是將物料從85 ℃以上的高溫直接降到常溫或更低的溫度下進(jìn)行長時(shí)間的保存。采用常規(guī)冷卻設(shè)備，存在以下缺陷：（1）產(chǎn)品瞬間由85～90 ℃的高溫環(huán)境進(jìn)入低溫環(huán)境，會(huì)造成產(chǎn)品內(nèi)營養(yǎng)成分、親水性和活性物質(zhì)損失，還會(huì)降低產(chǎn)品的分散性能。（2）產(chǎn)品瞬間由高溫環(huán)境進(jìn)入低溫環(huán)境會(huì)使產(chǎn)品的包裝材料質(zhì)量下降，甚至出現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量事故。對(duì)于復(fù)合軟包裝產(chǎn)品而言，產(chǎn)品瞬間由高溫環(huán)境進(jìn)入低溫環(huán)境容易使表面PE層和內(nèi)層PET層老化，導(dǎo)致復(fù)合層分離從而縮短產(chǎn)品的保質(zhì)期。對(duì)于玻璃瓶裝產(chǎn)品而言，產(chǎn)品瞬間由高溫環(huán)境進(jìn)入低溫環(huán)境，由于玻璃瓶內(nèi)外壓力忽然間的變化易使玻璃瓶破碎，帶來成本的損失和工作量的增加。本文通過分析現(xiàn)有冷卻裝置存在的問題，提出自主創(chuàng)新設(shè)計(jì)相關(guān)工藝設(shè)備的思路，通過介紹三級(jí)梯度冷卻系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和原理，探討研究三級(jí)梯度冷卻系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)。

三級(jí)梯度冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路、結(jié)構(gòu)及原理

設(shè)計(jì)思路

針對(duì)現(xiàn)有冷卻系統(tǒng)存在的問題，該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目的是提供一種冷卻效果好、柔性冷卻的三級(jí)梯度冷卻系統(tǒng)，將冷卻工序?qū)Ξa(chǎn)品營養(yǎng)成分的破壞降至最低，不會(huì)大幅度降低產(chǎn)品的分散性能，同時(shí)不會(huì)影響產(chǎn)品的外包裝性能。

本設(shè)計(jì)的技術(shù)方案是三級(jí)梯度冷卻系統(tǒng)，包括設(shè)有夾層結(jié)構(gòu)且相互間設(shè)有隔斷的一級(jí)冷卻水槽、二級(jí)冷卻水槽和三級(jí)冷卻水槽；其中，在一級(jí)冷卻水槽、二級(jí)冷卻水槽、三級(jí)冷卻水槽內(nèi)均設(shè)有水平的輸送鏈帶，在隔斷處設(shè)有上升的輸送鏈帶，所有冷卻水槽內(nèi)輸送鏈帶包括上壓鏈帶和下傳送鏈帶，在位于隔斷處的輸送鏈帶上方設(shè)有多個(gè)風(fēng)機(jī)，在三級(jí)冷卻水槽出料端的外壁上也設(shè)有風(fēng)機(jī)；在一級(jí)冷卻水槽的夾層結(jié)構(gòu)、二級(jí)冷卻水槽的夾層結(jié)構(gòu)和三級(jí)冷卻水槽的夾層結(jié)構(gòu)上均設(shè)有蒸汽管，每個(gè)蒸汽管上設(shè)有自動(dòng)閥門；在各級(jí)冷卻水槽中均設(shè)有水溫計(jì)，三個(gè)水溫計(jì)分別連接PLC控制臺(tái)的輸入端，三個(gè)自動(dòng)閥門分別連接PLC控制臺(tái)的輸出端，PLC控制臺(tái)的輸出端還與各個(gè)輸送鏈帶的電機(jī)連接。三級(jí)梯度冷卻系統(tǒng)示意圖如圖1、圖2所示。

圖1 三級(jí)梯度冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)俯視圖

圖2 三級(jí)梯度冷卻系統(tǒng)輸送鏈帶的結(jié)構(gòu)示意圖

1：一級(jí)冷卻水槽；2：二級(jí)冷卻水槽；3：三級(jí)冷卻水槽；4：輸送鏈帶；4.1：上壓鏈帶；4.2：下傳送鏈帶；5：風(fēng)機(jī)；6：蒸汽管；7：自動(dòng)閥門；8：水溫計(jì)；9：PLC控制臺(tái)；10：包裝產(chǎn)品；11：隔斷

三級(jí)梯度冷卻系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)分析

三級(jí)梯度冷卻系統(tǒng)相比現(xiàn)有技術(shù)而言，有以下突出優(yōu)點(diǎn)。

（1）減少了罐頭工藝中的后殺菌工序。傳統(tǒng)的罐頭工藝流程為調(diào)配、剪切、脫氣、加熱、灌裝、殺菌和冷卻共7道工序，采用傳統(tǒng)冷卻工藝需要進(jìn)行后殺菌工序，主要原因是傳統(tǒng)冷卻工藝是使殺菌后的產(chǎn)品由95～100 ℃的高溫環(huán)境忽然間進(jìn)入25 ℃左右的低溫環(huán)境進(jìn)行冷卻，傳統(tǒng)冷卻工藝中要將產(chǎn)品中心溫度降低至30℃以下需要1 h甚至更長的時(shí)間，但三級(jí)梯度冷卻工藝采用3步冷卻，更加有利于產(chǎn)品熱量的交換，可實(shí)現(xiàn)在30 min內(nèi)將產(chǎn)品中心溫度冷卻至25℃以下，大大縮短產(chǎn)品在30～37℃這個(gè)細(xì)菌最佳的繁殖溫度段停留的時(shí)間，即使省去后面的殺菌工序也可保證產(chǎn)品的微生物指標(biāo)合格從而保證產(chǎn)品具有穩(wěn)定的保質(zhì)期，采用本工藝前，生產(chǎn)的蜂蜜番茄果汁保質(zhì)期為8個(gè)月，采用本工藝后，生產(chǎn)的蜂蜜番茄果汁保質(zhì)期達(dá)到12個(gè)月。

（2）采用三級(jí)梯度冷卻工藝可最大限度地保留產(chǎn)品中的營養(yǎng)成分、親水性和活性物質(zhì)，而且提高了產(chǎn)品的分散性能，避免產(chǎn)品由高溫環(huán)境忽然進(jìn)入低溫環(huán)境帶來的營養(yǎng)成分分解、親水性和活性物質(zhì)與其他成分分離等現(xiàn)象。經(jīng)研究及大量實(shí)驗(yàn)證明，采用三級(jí)梯度冷卻工藝可避免產(chǎn)品由高溫環(huán)境忽然進(jìn)入低溫環(huán)境劇烈熱脹冷縮所帶來的水分與其他物質(zhì)分離的弊端，從而提高產(chǎn)品的分散性能。

（3）采用三級(jí)梯度冷卻工藝可避免產(chǎn)品瞬間由高溫環(huán)境進(jìn)入低溫環(huán)境帶來的包裝材料質(zhì)量下降問題，進(jìn)而避免因此帶來的產(chǎn)品質(zhì)量事故。對(duì)于復(fù)合軟包裝產(chǎn)品而言，采用三級(jí)梯度冷卻工藝可避免產(chǎn)品瞬間由高溫環(huán)境進(jìn)入低溫環(huán)境帶來的復(fù)合軟包裝表面PE層及內(nèi)層PET層老化和復(fù)合層分離等問題的；對(duì)于玻璃瓶裝產(chǎn)品而言，采用三級(jí)梯度冷卻工藝可避免產(chǎn)品瞬間由高溫環(huán)境進(jìn)入低溫環(huán)境帶來的玻璃瓶破碎問題，降低生產(chǎn)成本，減少勞動(dòng)工作量。采用本工藝后，公司生產(chǎn)袋裝蜂蜜番茄果汁時(shí)由于膜分層老化等原因?qū)е碌拇纹仿视?.65%降至0.16%；生產(chǎn)瓶裝蜂蜜番茄果汁時(shí)由于玻璃瓶破碎等原因?qū)е碌拇纹仿视?.21%降至0.05%；生產(chǎn)袋裝中式面食料理時(shí)由于膜分層老化等原因?qū)е碌拇纹仿视?.44%降至0.07%；生產(chǎn)瓶裝中式面食料理時(shí)由于玻璃瓶破碎等原因?qū)е碌拇纹仿视?.18%降至0.05%。

結(jié)語

三級(jí)梯度冷卻系統(tǒng)不僅適用于飲料類產(chǎn)品的生產(chǎn)，也適用于液態(tài)及半固態(tài)復(fù)合調(diào)味料的生產(chǎn)，具有廣闊的市場應(yīng)用前景。采取三級(jí)梯度冷卻系統(tǒng)生產(chǎn)的產(chǎn)品，對(duì)比市場同類產(chǎn)品具有較大的品質(zhì)優(yōu)勢，且實(shí)現(xiàn)減少工藝流程，降低工藝環(huán)節(jié)，節(jié)能減排，提高食品安全水平的目的，具有較好的應(yīng)用前景。

北京市科技型中小企業(yè)促進(jìn)專項(xiàng)（編號(hào)：Z15010101549）；房山區(qū)科技計(jì)劃項(xiàng)目（編號(hào)：201601012）。