侯祥英，范逸文

上海士為智能設(shè)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(huán)氧乙烷、電子束、加熱殺菌等，對產(chǎn)品質(zhì)量會產(chǎn)生不同影響，如：輻照殺菌會造成產(chǎn)品的化學(xué)性質(zhì)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(huán)氧乙烷的藥劑殘留和環(huán)境污染等，都需采用更環(huán)保、安全的殺菌方法。

加熱殺菌是一種良好的殺菌方式，其優(yōu)點是無殘留且設(shè)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(jié)塊。另一方面，高溫加熱時間過長，也會破壞產(chǎn)品中有益蛋白物質(zhì)、酶類、色素等成分，降低產(chǎn)品品質(zhì)。

鑒于現(xiàn)階段殺菌技術(shù)存在問題，介紹一種連續(xù)式氣流速熱粉體殺菌技術(shù)。該技術(shù)使用過熱飽和蒸汽，在一定壓力條件下，在保溫管道內(nèi)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(shù)在香辛料、茶類、殼類、植物莖葉類等產(chǎn)品領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。

1 技術(shù)背景介紹

1.1 過熱蒸汽作為殺菌介質(zhì)的有利條件

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

圖1 水蒸氣的狀態(tài)循環(huán)過程

圖2 1個大氣壓下的水蒸氣狀態(tài)圖

過熱水蒸氣的比熱大，標(biāo)準狀態(tài)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(shù)，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(shù)為200~500 W/（m2·K），而同樣條件下熱風(fēng)干燥的傳熱系數(shù)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(zhuǎn)點（inversion point）溫度進行理論研究，并推導(dǎo)出逆轉(zhuǎn)點值的計算公式，該逆轉(zhuǎn)點模型已被很多學(xué)者所證實[3]。過熱水蒸氣干燥的整個環(huán)境中僅有一種氣體成分HO2存在，傳質(zhì)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(qū)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(zhì)、核酸、細胞壁和細胞膜導(dǎo)致其死亡。干熱殺菌和濕熱殺菌對微生物蛋白質(zhì)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(zhì)變性、電解質(zhì)濃縮引起中毒，從而致細胞死亡。濕熱殺菌是微生物蛋白質(zhì)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(jié)合成為較大的聚合體而凝固、沉淀。蛋白質(zhì)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(zhì)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(jù)微生物的熱力致死速率曲線或活菌殘存數(shù)曲線及D值（式1）[6]和F0值、Z值定義，結(jié)合式（2）[7]可推導(dǎo)出任意溫度θ的Dθ值（式3），結(jié)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(shù)，個；t為經(jīng)過一段熱處理時間，s；N為為存菌數(shù)，個；n為在某一熱力致死溫度條件下，在規(guī)定的時間內(nèi)，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(shù)，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(shù)減少90%只需0.303 621 s。提高受熱溫度后D值迅速減少的數(shù)據(jù)，為氣流速熱殺菌技術(shù)提供理論依據(jù)。

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(chǎn)品中的水分，從而抑制微生物活動、酶活及各種生化反應(yīng)，達到抑制微生物生長、延長產(chǎn)品貯藏期的目的。產(chǎn)品中的水分為結(jié)合水和自由水2種狀態(tài)。結(jié)合水處于與食品成分沒有結(jié)合的游離狀態(tài)，會隨環(huán)境和溫度濕度的變化發(fā)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(chǎn)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(shù)介紹

2.1 氣流速熱殺菌工藝流程

連續(xù)進行粉粒體和過熱蒸汽的混合，根據(jù)原有微生物數(shù)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(diào)節(jié)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(zhuǎn)閥內(nèi)的粉體物料混合，隨著05的轉(zhuǎn)動進入，06開始殺菌。06外部設(shè)計保溫夾套，夾套不僅是保溫，還提供給滅菌管路內(nèi)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(fēng)完成降溫。粉體通過07下面05輸送出來，與通過10，11和12產(chǎn)生的高溫?zé)o菌熱風(fēng)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?zé)o菌熱風(fēng)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(xiàn)了粉粒體物料的殺菌。圖4是氣流速熱殺菌設(shè)備照片。

圖4 氣流速熱殺菌設(shè)備

2.2 粉體殺菌實例

采用氣流速熱殺菌設(shè)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(fēng)味、顏色和揮發(fā)性物質(zhì)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(shù)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(guān)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(diào)

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(diào)整，尤其是殺菌壓力的調(diào)節(jié)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(shù)。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(qū)間，有效成分和殺菌效果得到很好的平衡，結(jié)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(shù)的成熟，過熱蒸汽速熱殺菌技術(shù)在國外被大量使用。日本在80年代就推出連續(xù)式過熱蒸汽滅菌設(shè)備，包括有斯托克-布克弗德（Stork-Bokfard）連續(xù)結(jié)構(gòu)、氣流速熱式結(jié)構(gòu)、高速攪拌結(jié)構(gòu)殺菌設(shè)備[6]，并不斷進行著技術(shù)完善。我國因為對輻照設(shè)備認知不足，早期投入大量技術(shù)進行輻照設(shè)備的開發(fā)，影響過熱蒸汽滅菌的技術(shù)力量的提高積累，在過熱蒸汽滅菌設(shè)備領(lǐng)域，落后歐洲和日本。相對應(yīng)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(chǎn)的過熱蒸汽設(shè)備，技術(shù)不同于氣流速熱滅菌，因為適用面廣泛，在粉體滅菌領(lǐng)域有著廣泛市場，有待我們進一步開展研究。

4 結(jié)論

通過對使用氣流速熱殺菌設(shè)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(chǎn)品出口歐洲和日本創(chuàng)造了豐厚利潤，同時也提高了客戶的國際市場競爭力。