一种液体食品的脉冲超高压灭菌方法与流程

本发明涉及一种低热灭菌方法，特别涉及一种液体食品的脉冲超高压灭菌方法。

背景技术：

超高压灭菌作为一种新兴的食品非热杀菌技术，因其在保持食品原有风味，改善食品质构，以及避免维生素等热敏感营养物质损失方面的优势，受到食品工业的青睐。但该技术仍存在一些缺陷，如较低处理压力易导致灭菌不彻底而威胁食品卫生安全，较高处理压力则易导致处理设备造价过高以及处理成本高昂的缺点，这些缺点限制了超高压灭菌技术在食品工业的应用。目前常用的超高压灭菌技术，其压力灭菌过程多使用高静压处理，进而使得食品中的微生物和酶类失活，从而起到灭菌的效果。而静压处理需达到较好的灭菌效果需要较长的处理时间，这不利于提高设备的使用频率，根据相关研究，使用脉冲快速波动压力处理可以在更短的时间内起到更高的灭菌效果，进而提高设备的利用率，降低灭菌过程的生产成本。

抑菌剂作为保证工业化生产食品卫生的基础，在食品工业领域起到举足轻重的作用，但随着社会的发展，人们对食品安全愈发重视，而由于社会媒体对人工合成抑菌剂不恰当的妖魔化宣传和部分无良商家滥用人工合成抑菌剂，使得消费者对食品中的人工合成抑菌物质产生抵触心理。为此如果有一些天然抑菌物质替代化学合成的抑菌物质更能博得消费者青睐。不同抑菌剂的作用机制不同，有的是破坏微生物细胞壁，有的是导致微生物蛋白质、酶失活，根据前期研究结果，细胞壁或细胞膜损伤的微生物对抑菌剂的抗性显著降低，而脉冲超高压处理主要的作用机制即是破坏细菌细胞壁或细胞膜的完整性，两者相结合可以显著提高灭菌效果，使得在较低处理压力和较低抑菌浓度下达到良好的灭菌效果成为可能。

在食品行业各种食品的保鲜问题是困扰行业发展的瓶颈之一，目前通用的热杀菌工艺在口感加热时间营养物质保存方面均有不少缺陷，这些缺陷严重影响到食品的商品价值，也影响到食品企业的经济效益。本发明提供的创新处理设备可以在非热条件下实现食品的快速杀菌，在确保食品安全的前提下最大限度的保证食品的风味感官营养等元素，可以显著提高食品的商品价值，同时创新的设计可以在较低加工成本的前提下实现超高压灭菌，对于超高压技术的推广有较大价值。较低的处理压力和较低浓度的天然抑菌产物两者在一定条件下可以产生良好的协同灭菌效果，该技术的推广可以促进超高压技术在食品加工领域的应用，同时可以减少人工合成抑菌剂在食品中的应用，在有较大的社会价值和经济价值。

技术实现要素：

本发明提供一种液体食品的脉冲超高压灭菌方法，该方法利用脉冲超高压协调抑菌剂对食品进行处理，实现了快速低热灭菌。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种液体食品的脉冲超高压灭菌方法，方法包括如下步骤：

1）选择新鲜的液体食品，进行预处理，除去可能携带微生物的固体杂质；

2）将液体食品添加适量抑菌剂，并预冷到10℃以下；

3）液体食品输入脉冲超高压液体连续处理装置的加压腔进行脉冲超高压处理。

作为优选，抑菌剂选自乳酸、壳聚糖、聚赖氨酸中的一种或多种，抑菌剂在液体食品的混合液中的浓度不低于0.1%质量分数。

作为优选，脉冲超高压处理的参数为加压腔内峰值压力不低于250Mpa，于升压时间不大于2s，于降压时间不大于2s，单次保压时间不短于2s，一个灭菌过程最少进行10次脉冲压力处理，单次脉冲压力间隔时间不超过2s。

本发明的灭菌方法以一种特殊设计的脉冲超高压液体连续处理装置为基础，结合部分天然抑菌物质的抑菌效果，通过脉冲压力破坏微生物细胞壁，导致绝大部分细菌死亡，而压力对微生物的损伤又强化了抑菌剂的抑菌效果，通过脉冲超高压协同抑菌剂实现液体食品的商业灭菌。本发明能够杀灭食品中主要的致病微生物营养体并抑制微生物芽孢的增殖，灭菌处理后的食品无蒸煮味道，基本保留了食品的原有风味和质构特征。

作为优选，所述的脉冲超高压液体连续处理装置，包括瞬间压力产生装置、冲击力缓冲装置、液体加压处理腔装置、阀门控制装置及冷却装置；所述瞬间压力产生装置由至少一台燃油打桩机组成；冲击力缓冲装置包括变径活塞、减震橡胶垫、弹簧和圆筒；变径活塞位于燃油打桩机下端；变径活塞的大截面端部与燃油打桩机的压击锤相连接；变径活塞的小截面端部套接有弹簧，弹簧位于圆筒内；弹簧的一端固定于圆筒底部，另一端与变径活塞相抵；减震橡胶垫位于圆筒顶部和变径活塞之间；圆筒固定于液体加压处理腔装置上；液体加压处理腔装置通过阀门控制装置控制物料进出。

作为优选，弹簧套在变径活塞细直径端，并一端固定在圆筒内，圆筒上端垫有合适内径的减震橡胶垫，圆筒固定在加压腔外侧上端，压力作用在变径活塞上，在弹簧的弹力反作用力下，活塞按一定速度下行，直至碰到减震橡胶垫，变径活塞运动停止，在弹簧的弹力作用下上行。

作为优选，液体加压处理腔外壁安装有冷却装置；所述液体加压处理腔装置包括加压腔和至少三个密封环，密封环安装在变径活塞小截面端最外端位置；加压腔一端连接变径活塞，滑动密封；另一端为半封闭结构，留有两个控制物料进出的出料针阀和进料针阀；圆筒固定于加压腔的外侧上端。

作为优选，所述密封环间隔安装，相邻密封环之间的间距相同。

作为优选，所述阀门控制装置包括导杆、连杆、飞轮、滚珠、大凸轮、小凸轮、提杆、出料针阀和进料针阀； 导杆固定连接于变径活塞的左右端，与变径活塞运动方向平行，导杆随变径活塞在竖直方向上下移动；左右两侧的导杆下端依次连接有连杆和飞轮；左右两侧的飞轮分别共轴安装有大凸轮和小凸轮，并且飞轮带动大凸轮和小凸轮旋转，提杆靠近大凸轮和小凸轮位置安装有滚珠；大凸轮和小凸轮分别顶住安装在提杆上的滚珠带动提杆上下运动，用于控制出料针阀和进料针阀的开启和关闭。

作为优选，所述大凸轮逆时针旋转旋转0°～180°，大凸轮顶起提杆开启进料针阀，旋转至180°～360°，提杆回落关闭进料针阀。

作为优选，所述大凸轮由大凸出部和大圆弧部组成；大凸出部位置的圆弧半径大于大圆弧部位置的圆弧半径的25%以上，且大凸出部的圆弧占整体大凸轮圆弧角度的一半。

作为优选，所述小凸轮由小凸出部和小圆弧部组成；小凸出部位置的圆弧半径大于小圆弧部位置的圆弧半径15%。且小凸出部位置的圆弧占整体小凸轮圆弧角度的7/12，即210°，而小圆弧部位置的圆弧占整体小凸轮圆弧角度的5/12，即150°。

作为优选，所述冷却装置包括缠绕于加压腔外壁的冷凝管。

该装置以打桩机作为脉冲冲击力来源，具有技术成熟、成本低廉、使用方便等优势；通过独特的变径活塞加弹簧加减震垫圈设计，将打桩机击锤产生的瞬间冲击力放大若干倍，并通过弹簧和减震垫圈设计避免了变径活塞与处理腔体的碰撞，避免装置损坏，同时由于弹簧的存在，即可以延长压力上升时间避免升压过快造成装置损伤又可以借助弹簧的弹力推动变径活塞上行，准备下一次加压，进而促使脉冲超高压处理的连续进行。

该装置独特设计的曲轴连杆结合凸轮和针阀设计，可以很好的控制待处理液体进出处理腔与脉冲超高压处理过程衔接，通过导杆飞轮和连杆，将变径活塞的直线运动转换为凸轮的旋转运动，凸轮带动提杆进而控制进料针阀和出料针阀的开启和关闭，从而实现装置的自动连续进出样。

该装置独特设计的两个大小凸轮，大凸轮用于控制变径活塞上升时物料的进入，在该过程需要常开启，且保证较大的开启幅度有利于液体进样完全，而特殊角度小凸轮设计则着重与加压瞬间控制出样针阀关闭，使得液体承受较大的压力，随着变径活塞的下行，小凸轮略微顶起顶杆，针阀略微打开，使得流体在较大压力下通过针阀以强化压力处理效果。压力处理瞬间，由于升压速度较快，处理流体容易产生明显的热效应，进而影响压力处理效果，本装置独特设计的冷却装置，用低温流体降低处理腔温度以克服上述热效应。

该装置使用打桩机脉冲冲击力来源，通过减缓冲击力设计和自动阀门控制装置，以及散热设计，能够以较低成本，产生连续脉冲超高压，加压压力和加压时间均可以调节，有较广阔的使用前景。

本发明的有益效果是：本发明提供的灭菌方法适用于常温贮藏的液体食品，能达到单增李斯特菌6个对数差值的杀灭效果，金黄色葡萄球菌6.5个对数差值的杀灭效果。另外，本发明方法中由于脉冲压力和抑菌剂的协同作用，相比单纯脉冲压力处理或单纯抑菌剂处理抑菌效果更佳，协同灭菌的效果比单独处理的效果大2个对数差值以上。相比相同常规热处理大1个对数差值以上的灭菌效果。

本发明提供的方法可以杀灭绝大多数食品致病微生物并抑制微生物的增殖，所处理的液体食品有六个月以上的货架储存时间。本发明提供的方法为非热杀菌方法，可以最大限度的保留食品的色泽风味质构和营养，同时由于脉冲压力处理耗时更短，处理时间比单独静压处理节约2/3以上。

附图说明

图1为根据本发明脉冲超高压液体连续处理装置实施例的结构示意图。

图2为根据本发明脉冲超高压液体连续处理装置实施例的使用状态图。

图3为根据本发明的冲击力缓冲装置结构示意图。

图4为根据本发明的液体加压处理腔结构示意图。

图5为根据本发明的阀门控制装置结构示意图。

图6为根据本发明的大小凸轮结构详细示意图

图7为根据本发明的冷凝装置结构示意图。

图中附图标记：燃油打桩机1，变径活塞2，减震橡胶垫3，弹簧4，圆筒5，导杆6，加压腔7，密封环8，连杆9，飞轮10，滚珠11，大凸轮12，大凸出部12-1，大圆弧部12-2，小凸轮13，小凸出部13-1，小圆弧部13-2，提杆14，出料针阀15，进料针阀16，冷凝管17。

具体实施方式

下面通过具体实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的具体说明。应当理解，本发明的实施并不局限于下面的实施例，对本发明所做的任何形式上的变通和/或改变都将落入本发明保护范围。

在本发明中，若非特指，所有的份、百分比均为重量单位，所采用的设备和原料等均可从市场购得或是本领域常用的。下述实施例中的方法，如无特别说明，均为本领域的常规方法。

实施例1

单增李斯特菌的脉冲超高压灭菌，其步骤如下：

（1）取单增李斯特菌对数期培养液，多次离心洗涤去除培养基，用生理盐水重悬。

（2）将菌悬液用添加乳酸的牛奶稀释，稀释为含0.1%乳酸，菌落数为1×10⁸CFU/ml的浓度。

（3）将稀释好的含乳酸牛奶通过进料阀门进入到加压腔，通过加压腔外壁的冷凝管将胡萝卜汁预冷到10℃以内，菌悬液填充满加压腔和活塞的空隙。

（4）对加压腔内的牛奶进行脉冲超高压处理，处理参数为：加压腔内峰值压力250Mpa，升压时间2s，降压时间2s，单次保压时间2s，灭菌过程进行10次脉冲压力处理，单次脉冲压力间隔时间2s。

（5）处理好的牛奶从出料阀流出，无菌封装后置于常温下储存72h后取牛奶进行菌落计数，相比未处理组，该处理条件的菌落数对数差值达6，单独乳酸和单独压力处理菌落数对数差值均为4，而未处理组菌落数对数差值仅为1，该工艺具有良好的灭菌效果。

本实施例利用脉冲超高压协同抑菌剂灭菌，灭菌过程中产热少，灭菌对象升温少，微生物的致死机制不在于热力作用，而在于瞬间波动压力对微生物细胞膜产生破坏，进而使其对抑菌物质的抗性急剧降低，从而强化抑菌剂抑制微生物增殖的能力，直至微生物死亡。经本实施例灭菌后的牛奶的灭菌对数差值达到6，优于普通热处理5个对数差值。

实施例2

金黄色葡萄球菌的脉冲超高压灭菌，其步骤如下：

（1）取金黄色葡萄球菌对数期培养液，多次离心洗涤去除培养基，用生理盐水重悬。

（2）将菌悬液用添加乳酸的胡萝卜汁稀释，稀释为含0.1%壳聚糖，菌落数为1×10⁸CFU/ml的浓度。

（3）将稀释好的含壳聚糖胡萝卜汁通过进料阀门进入到加压腔，通过加压腔外壁的冷凝管将菌悬液预冷到10℃以内，胡萝卜汁填充满加压腔和活塞的空隙。

（4）对加压腔内的胡萝卜汁进行脉冲超高压处理，处理参数为：加压腔内峰值压力250Mpa，升压时间2s，降压时间2s，单次保压时间2s，灭菌过程进行10次脉冲压力处理，单次脉冲压力间隔时间2s。

（5）处理好的胡萝卜汁从出料阀流出，无菌封装后置于常温下储存72h后取胡萝卜汁进行菌落计数，相比未处理组，该处理条件的菌落数对数差值达6.5，单独壳聚糖处理菌落数对数差值为3，单独压力处理菌落数对数差值为4，而未处理组菌落数对数差值仅为1，该工艺具有良好的灭菌效果。

本实施例利用脉冲超高压协同抑菌剂灭菌，灭菌过程中产热少，灭菌对象升温少，微生物的致死机制不在于热力作用，而在于瞬间波动压力对微生物细胞膜产生破坏，进而使其对抑菌物质的抗性急剧降低，从而强化抑菌剂抑制微生物增殖的能力，直至微生物死亡。经本实施例灭菌后的胡萝卜汁的灭菌对数差值达到6.5，优于普通热处理5个对数差值的灭菌效果。

实施例3

大肠杆菌的的脉冲超高压灭菌，其步骤如下：

（1）取大肠杆菌对数期培养液，多次离心洗涤去除培养基，用生理盐水重悬。

（2）将菌悬液用添加聚赖氨酸的啤酒稀释，稀释为含0.1%壳聚糖，菌落数为1×10⁸CFU/ml的浓度。

（3）将稀释好的含聚赖氨酸啤酒通过进料阀门进入到加压腔，通过加压腔外壁的冷凝管将啤酒预冷到10℃以内，啤酒填充满加压腔和活塞的空隙。

（4）对加压腔内的啤酒进行脉冲超高压处理，处理参数为：加压腔内峰值压力250Mpa，升压时间2s，降压时间2s，单次保压时间2s，灭菌过程进行10次脉冲压力处理，单次脉冲压力间隔时间2s。

（5）处理好的啤酒从出料阀流出，无菌封装后置于常温下储存72h后取啤酒进行菌落计数，相比未处理组，该处理条件的菌落数对数差值达6.8，单独聚赖氨酸处理菌落数对数差值为3.5，单独压力处理菌落数对数差值为4.5，而未处理组菌落数对数差值仅为1.2，该工艺具有良好的灭菌效果。

本实施例利用脉冲超高压协同抑菌剂灭菌，灭菌过程中产热少，灭菌对象升温少，微生物的致死机制不在于热力作用，而在于瞬间波动压力对微生物细胞膜产生破坏，进而使其对抑菌物质的抗性急剧降低，从而强化抑菌剂抑制微生物增殖的能力，直至微生物死亡。经本实施例灭菌后的啤酒的灭菌对数差值达到6.8，优于普通热处理5个对数差值的灭菌效果。

实施例：本发明方法采用的处理装置

一种脉冲超高压液体连续处理装置，包括瞬间压力产生装置、冲击力缓冲装置、液体加压处理腔装置、阀门控制装置及冷却装置；瞬间压力产生装置由至少一台燃油打桩机1组成；燃油打桩机1安装在脉冲超高压液体连续处理装置的最上端，其工作产生瞬间冲击力，作为瞬间压力产生装置，压力通过连接燃油打桩机1和加压腔7的冲击力缓冲装置放大并缓冲，冲击力作用于液体加压处理腔内的液体上，安装在连接加压腔7的进出料管道上的阀门控制装置自动控制物料进出实现连续工作，而冷却装置安装在加压强外壁，防止过热对处理液体的影响；以燃油打桩机1作为脉冲冲击力来源，具有技术成熟、成本低廉、使用方便等优势。

如图3所示，冲击力缓冲装置包括变径活塞2、减震橡胶垫3、弹簧4和圆筒5；变径活塞2位于燃油打桩机1下端；变径活塞2的大截面端部与燃油打桩机1的压击锤相连接；变径活塞2小截面端穿过弹簧3，深入到加压腔7上端，弹簧4位于圆筒5内；弹簧4的一端固定于圆筒5底部，另一端与变径活塞2相抵；减震橡胶垫3位于圆筒5顶部和变径活塞2之间；当变径活塞2竖直方向移动时弹簧起到了缓冲和加压完成后促使变径活塞2回到加压前初始位置的作用。垫在圆筒顶部和变径活塞之间的减震橡胶垫在变径活塞移动到最低端，与圆筒5碰撞时起到缓冲作用，防止装置损坏；圆筒5固定于液体加压处理腔装置上；液体加压处理腔装置通过阀门控制装置控制物料进出。

通过独特的变径活塞2、弹簧4和减震橡胶垫3的设计，将燃油打桩机1击锤产生的瞬间冲击力放大若干倍，并通过弹簧4和减震橡胶垫3设计避免了变径活塞2与处理腔体的碰撞，避免装置损坏，同时由于弹簧4的存在，即可以延长压力上升时间避免升压过快造成装置损伤又可以借助弹簧4的弹力推动变径活塞2上行，准备下一次加压，进而促使脉冲超高压处理的连续进行。

如图4所示，所述液体加压处理腔装置包括加压腔7和至少三个密封环8，密封环8安装在变径活塞2小截面端最外端位置；密封环8间隔安装，相邻密封环8之间的间距相同；当变径活塞2上下移动时，密封环8的作用是确保一定润滑效果的前提下保证加压腔7的密封性，防止加压过程液体溢出。加压腔7一端连接变径活塞2，滑动密封；另一端为半封闭结构，留有两个控制物料进出的出料针阀15和进料针阀16；圆筒5固定于加压腔7的外侧上端。

如图5所示，为阀门控制装置结构工作例，压力作用下变径活塞2沿竖直方向带动导杆6向下运动，连杆9一端与导杆6活动连接，另一端与飞轮10活动连接，该设计可以将导杆6的直线运动转化为飞轮10的旋转运动；飞轮10分别共轴安装大凸轮12和小凸轮13，提杆14呈倒“L”形状，提杆14上端靠近大凸轮12和小凸轮13的位置安装有滚珠11，以减少提杆14与大凸轮12和小凸轮13之间的摩擦力，当飞轮10带动大凸轮12运动到凸点与滚珠11接触位置时，提杆14向上运动带动连接的进料针阀16阀芯上移，进而打开进料针阀16，当大凸轮12运动到非凸点与滚珠11接触位置时，提杆14向下回落带动连接的进料针阀16阀芯下移进而关闭进料针阀16；同理：当飞轮10带动小凸轮13旋转时，滚珠11接触到小凸轮13凸出位置时，提杆14向上运动带动连接的出料针阀15阀芯上移，进而打开出料针阀15，而当滚珠11接触到小凸轮13非凸出位置时，提杆14向下回落带动连接的出料针阀15阀芯下移，进而关闭出料针阀15。

本发明独特设计的曲轴连杆9结合大凸轮12、小凸轮13、出料针阀15和进料针阀16设计，可以很好的控制待处理液体进出处理腔与脉冲超高压处理过程衔接，通过导杆6、飞轮10和连杆9之间的连接关系，将变径活塞2的直线运动转换为大凸轮12和小凸轮13的旋转运动，大凸轮12和小凸轮13带动提杆14进而控制进料针阀16和出料针阀15的开启和关闭，从而实现装置的自动连续进出样。

如图6所示，为大小凸轮结构详细示意图，图6左边为大凸轮12结构示意图，大凸轮12由大凸出部12-1和大圆弧部12-2组成；大凸出部12-1位置的圆弧半径大于大圆弧部12-2位置的圆弧半径的25%以上，且大凸出部12-1的圆弧占整体大凸轮12圆弧角度的一半。从初始位置逆时针旋转，大凸出部12-1位置的圆弧角度为0°到180°，大圆弧部12-2位置的圆弧角度为180°到360°；该设计可以保证整个大凸轮12从初始位置开始逆时针旋转过程中，旋转0°到180°过程中大凸轮12顶起提杆14开启进料针阀16，旋转180°到360°过程中，顶杆14回落关闭进料针阀16。大凸轮12的大凸出部12-1位置的圆弧半径大于未凸出位置25%以上左右，可以保证大凸轮12转到大凸出部12-1位置顶起提杆14的高度更高，更大幅度开启进料针阀16，满足快速进料的要求。

同理，图6右边为小凸轮13结构示意图，小凸轮13由小凸出部13-1和小圆弧部13-2组成；小凸出部13-1位置的圆弧半径大于小圆弧部13-2位置的圆弧半径15%。且小凸出部13-1位置的圆弧占整体小凸轮13圆弧角度的7/12，即210°，而小圆弧部13-2位置的圆弧占整体小凸轮13圆弧角度的5/12，即150°。

小圆弧部13-2位置角度分别为从初始位置逆时针旋转0°到30°及180°到360°。该设计可以保证整个小凸轮13逆时针旋转过程中，从初始位置开始逆时针旋转0°到30°滚珠11接触小凸轮未凸出部分，提杆14下移，关闭出料针阀15，保证加压腔7内维持高压状态。从30°到180°过程中滚珠11开始接触小凸轮13的小凸出部13-1，才开始带动提杆14上移，开启出料针阀15。小凸轮13逆时针旋转180°到390°过程滚珠11接触小凸轮13的小圆弧部13-2，提杆14下移，关闭出料针阀15。小凸轮13的小凸出部13-1位置的圆弧半径仅大于小圆弧部13-2位置圆弧半径的15%，该设计可以保证小凸轮13旋转过程中转到小凸出部13-1位置与滚珠11接触时提杆14上升较低高度，出料针阀15开启幅度更小，降低物料流出速度，确保加压腔7内维持一个适宜的压力。

大凸轮12和小凸轮13的凸出位置和未凸出半径比例可根据实际需求调整，本文仅举一个例子；小凸轮13凸出区域和未凸出区域角度划分也根据实际需要适当增大或减小，本文仅以一个角度为示例。

本发明独特设计的大凸轮12和小凸轮13，大凸轮12用于控制变径活塞2上升时物料的进入，在该过程需要常开启，且保证较大的开启幅度有利于液体进样完全，而特殊角度小凸轮13设计则着重与加压瞬间控制出料针阀15关闭，使得液体承受较大的压力，随着变径活塞2的下行，小凸轮13略微顶起提杆14，出料针阀15略微打开，使得流体在较大压力下通过针阀以强化压力处理效果。压力处理瞬间，由于升压速度较快，处理流体容易产生明显的热效应，进而影响压力处理效果，本装置独特设计的冷却装置，用低温流体降低处理腔温度以克服上述热效应。

如图7所示，为冷凝装置工作例，冷凝管17缠绕在加压腔7外壁，装置工作时，冷凝液体在冷凝管17中流动，带走加压处理过程对加压腔内液体产生的热量。

以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，并非对本发明作任何形式上的限制，在不超出权利要求所记载的技术方案的前提下还有其它的变体及改型。