徐圣捷，趙東，高祥，劉承，黃偉濤

濟(jì)南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院（濟(jì)南 250022）

食品超高壓技術(shù)（Ultra-high pressure processing，UHP），亦稱高靜壓水技術(shù)（Hydrostatic pressure，HHP）[1]，是當(dāng)前備受食品加工行業(yè)重視，并投入大量精力研發(fā)的一種食品加工新技術(shù)。所謂食品超高壓技術(shù)，就是將被加工食品以一定形狀或規(guī)格進(jìn)行包裝，置于超高壓設(shè)備滅菌缸中，基于帕斯卡原理和Le Chatelier原理[2]，利用傳壓介質(zhì)（通常是液態(tài)）在100 MPa以上壓力下對食品保壓一段時(shí)間從而達(dá)到殺菌、滅酶、改善食品特性等作用[3]，延長食品保存時(shí)間的一種食品物理加工手段。

超高壓食品加工屬于非熱加工，即在常溫或者低溫下進(jìn)行。加工后的食品殺菌效果好、口感獨(dú)特、色澤亮麗、營養(yǎng)幾乎無損失[4]，具有傳統(tǒng)熱加工方法不可比擬的技術(shù)優(yōu)勢。

超高壓食品加工的基本原理是壓力對微生物的致死作用。超高壓會(huì)導(dǎo)致微生物的形態(tài)結(jié)構(gòu)、生物化學(xué)反應(yīng)、基因機(jī)制以及細(xì)胞壁發(fā)生多方面的變化，影響微生物原有的生理活動(dòng)的機(jī)能，微生物原有功能被破壞甚至發(fā)生不可逆變化[5]。

1 超高壓食品加工設(shè)備簡介

當(dāng)前市場中超高壓食品加工設(shè)備主要有高壓系統(tǒng)和加壓-卸壓系統(tǒng)組成。加壓-卸壓系統(tǒng)在工作時(shí)為高壓系統(tǒng)提供傳壓介質(zhì)的升壓、降壓服務(wù)。高壓系統(tǒng)的滅菌缸是整個(gè)設(shè)備的核心工作部分。滅菌缸的工作壓力一般在150～600 MPa，部分滅菌缸的最高工作壓力可達(dá)1 000 MPa。巨大壓力致使滅菌缸工作環(huán)境惡劣，進(jìn)而導(dǎo)致滅菌缸筒體應(yīng)力分布復(fù)雜。不僅如此，頻繁加壓-卸壓的工作過程使得滅菌缸還承受循環(huán)載荷[6]。因此，對超高壓食品加工設(shè)備的滅菌缸從材料選擇到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求都非常嚴(yán)格，成為超高壓食品加工設(shè)備研究與開發(fā)的重要一環(huán)。

另外，超高壓食品加工設(shè)備密封結(jié)構(gòu)也是影響整個(gè)超高壓設(shè)備正常工作的重要因素，其密封好壞直接影響整個(gè)超高壓設(shè)備的整體性能。根據(jù)超高壓食品的加工特點(diǎn)，超高壓食品加工設(shè)備的密封結(jié)構(gòu)還應(yīng)具有開關(guān)頻繁、密封性好、拆裝簡單、容易維護(hù)等特點(diǎn)[7]。

2 超高壓食品加工設(shè)備分類

2.1 按照結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分類[8-9]

超高壓食品加工裝置工作時(shí)產(chǎn)生高壓的方式主要分為內(nèi)部直接加壓和外部間接加壓。

2.1.1 內(nèi)部加壓式

內(nèi)部加壓裝置分為分體式內(nèi)部加壓裝置和一體式內(nèi)部加壓裝置兩大類。

分體式內(nèi)部加壓式結(jié)構(gòu)如圖1所示。液壓泵7泵出油液，通過換向閥6，作用于增壓缸5，滅菌缸與增壓缸整體在一個(gè)承壓框架內(nèi)，在推動(dòng)5活塞向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，頂住滅菌缸2，向上運(yùn)動(dòng)的期間，滅菌缸內(nèi)產(chǎn)生超高壓，對缸中的食物進(jìn)行處理。整個(gè)裝置在實(shí)際運(yùn)行的過程中需要在高壓端蓋1和滅菌缸2之間添加超高壓動(dòng)密封。

圖1 分體式內(nèi)部加壓裝置

一體式內(nèi)部加壓裝置結(jié)構(gòu)簡圖如圖2所示，結(jié)構(gòu)較分體式稍有不同。在油泵和三位四通換向閥作用下，推動(dòng)增壓活塞4向上運(yùn)動(dòng)，與高壓缸蓋1相互作用，對滅菌缸2中的食品進(jìn)行處理。整個(gè)裝置活塞4與高壓缸蓋1、滅菌缸2之間需要加超高壓動(dòng)密封。

圖2 一體式內(nèi)部加壓裝置

2.1.2 外部加壓式

外部加壓式加工裝置結(jié)構(gòu)如圖3所示。該裝置分別獨(dú)立地設(shè)置增壓缸和高壓容器。如圖3所示，在液壓泵和三位四通換向閥的作用下，將傳壓介質(zhì)泵入增壓缸5，增壓缸5在活塞的作用下將傳壓介質(zhì)壓入超高壓滅菌缸，對缸內(nèi)的食物進(jìn)行處理。高壓端蓋1和滅菌缸2之間要添加超高壓動(dòng)密封結(jié)構(gòu)。

圖3 外部加壓裝置

2.2 按照加工方式分類

2.2.1 間歇式加工方式[10]

當(dāng)前用于工業(yè)生產(chǎn)的超高壓滅菌裝置大多數(shù)為間歇式加工方式。圖4展示的是一種典型的間歇式超高壓食品加工裝置。

加工過程中，油缸9向上運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)上密封頭7向上運(yùn)動(dòng)后，油缸12將滅菌缸5和承壓框架3沿著滑軌2移動(dòng)，露出滅菌缸5口部，將包裝好的食物置于滅菌缸5后，再沿滑軌移動(dòng)到預(yù)定位置，排出空氣后，系統(tǒng)進(jìn)行加壓，保壓一段時(shí)間，卸壓。油缸12會(huì)將滅菌缸5與承壓框架3沿滑軌推出，取出滅菌缸中的食物。工作過程中滅菌缸中殘留的空氣一般對殺菌動(dòng)力學(xué)和殺菌效果不會(huì)產(chǎn)生太大影響，僅增加升壓時(shí)間。

間歇式超高壓滅菌裝置雖然可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械化操作，具有安全系數(shù)高、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，但是從整個(gè)加工過程來看，在裝料、加壓、保壓、卸料等操作過程中存在大量時(shí)間和能量的耗費(fèi)，導(dǎo)致加工成本增加。整個(gè)設(shè)備亟待結(jié)構(gòu)優(yōu)化和工作過程改進(jìn)以改善當(dāng)前這種狀況。

圖4 間歇式加工裝置

2.2.2 半連續(xù)式加工[11]

半連續(xù)式加工是近幾年新出現(xiàn)的一種加工方式。這種加工方式有效減小間歇式加工中多余加工時(shí)間的消耗，提高生產(chǎn)效率。圖5展示一種半連續(xù)式的超高壓食品加工裝置。

該超高壓滅菌裝置分為兩組設(shè)備，每一組的3個(gè)工位上放置左、中、右3個(gè)位置滅菌缸，在加工過程中，左位滅菌缸4完成裝料后，推到中位，堵頭7完成對滅菌缸4的兩端密封。在排盡空氣后系統(tǒng)對滅菌缸內(nèi)進(jìn)行充介質(zhì)升壓，之后保壓一段時(shí)間，卸壓。堵頭7卸掉對滅菌缸4的密封，滅菌缸4進(jìn)入右位，取出滅菌缸4中已經(jīng)加工好的食物。完成一個(gè)工作過程。

每一個(gè)容器組的整個(gè)加工過程由3個(gè)滅菌缸同時(shí)進(jìn)行工作，3個(gè)位置的滅菌缸同時(shí)進(jìn)行裝料、加壓滅菌、卸壓、取料，整個(gè)過程設(shè)備實(shí)現(xiàn)半連續(xù)化加工，降低生產(chǎn)成本。

圖5 超高壓半連續(xù)式殺菌設(shè)備主體示意圖

2.2.3 連續(xù)式加工

在實(shí)際的工業(yè)生產(chǎn)中，真正的食品用超高壓連續(xù)化食品加工裝備需要解決物料的連續(xù)加壓、保壓、卸壓3個(gè)關(guān)鍵工作過程問題。因此至今還未出現(xiàn)用于工業(yè)化生產(chǎn)的超高壓連續(xù)式處理設(shè)備。因此，僅在已發(fā)布的專利中出現(xiàn)超高壓連續(xù)物料滅菌裝置，具體原理是將被加工食品裝入料倉中，從左端的滅菌缸口依次將料倉推入，壓力大小從左到右進(jìn)行階梯遞增，在中間壓力最大位置對料倉進(jìn)行定時(shí)保壓，再從右端滅菌口中依次推出，具體結(jié)構(gòu)簡圖如圖6所示。

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圖6 超高壓連續(xù)物料滅菌裝置簡圖

3 超高壓食品加工設(shè)備現(xiàn)狀及未來發(fā)展趨勢

超高壓技術(shù)被稱為當(dāng)今世界十大科技之一，具有重大的潛在市場和發(fā)展前景。20世紀(jì)70年代，國內(nèi)開始投入對超高壓食品的研究[12]。經(jīng)過近半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，中國在超高壓技術(shù)的理論體系、機(jī)理研究、技術(shù)開發(fā)已經(jīng)取得一系列成果，但距離國外發(fā)達(dá)國家在很多方面還具有較大的差距，仍存在幾個(gè)主要問題。

3.1 超高壓設(shè)備的技術(shù)難度較大

超高壓食品加工設(shè)備對材料選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)密封、運(yùn)行壽命安全性等方面提出嚴(yán)格要求，一次性解決這些問題不僅先期投入成本較高，更為隨后的產(chǎn)業(yè)化帶來層層障礙。

3.2 超高壓加工過程復(fù)雜[13]

超高壓加工主要是利用超高壓對食物中的病毒、細(xì)菌及芽孢進(jìn)行殺菌滅活處理，但不同食物需要不同的處理參數(shù)（主要為處理壓力和保壓時(shí)間）。部分食物中的芽孢要達(dá)到預(yù)定殺滅效果，對工藝參數(shù)的要求較高。同時(shí)，目前缺乏相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)來對超高壓食品處理工藝最佳工藝參數(shù)的評定，給工藝參數(shù)研究造成一定混亂。

3.3 國外的設(shè)備價(jià)格相對較貴[14]

在一些關(guān)鍵技術(shù)還無法取得突破的情況下，國外設(shè)備高昂的價(jià)格對生產(chǎn)企業(yè)的設(shè)備引進(jìn)和技術(shù)消化吸收帶來瓶頸。

進(jìn)入21世紀(jì)以來，超高壓加工技術(shù)以其獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢在食品行業(yè)占據(jù)一席之地，甚至被世人譽(yù)為“21世紀(jì)十大尖端科技”之一。時(shí)至今日，超高壓加工技術(shù)涉及水產(chǎn)品、液體飲料、肉制品、有效成分提取等諸多方面。

經(jīng)過超高壓技術(shù)處理過的食品，符合綠色食品的生產(chǎn)要求，并迎合消費(fèi)者對于健康食品的需求，其廣袤的市場前景不言而喻。當(dāng)前對于超高壓加工技術(shù)的理論基礎(chǔ)、設(shè)備開發(fā)、產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的研究正方興未艾，在這些方面進(jìn)行深入開發(fā)研究，將有助于中國超高壓加工技術(shù)高效產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。