专利名称：食品高压灭菌方法及其装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及高压灭菌的方法及装置，特别是涉及对食品进行高压灭菌保鲜的方法和装置。
食品灭菌的传统方法是加热法。加热虽能达到灭菌效果，但对食品造成了变色、变味和营养损失等不利影响。因此，近年来发展了食品高压灭菌法。食品高压灭菌是将食品装入高压容器中，在100MPa以上的静压力下保压一定时间，从而达到灭菌目的。经高压处理后，食品中的细菌被杀死，酶失去活性，维生素等营养成份不受影响，香味和色素也均不发生变化。因而经高压处理的食品真正实现了既灭菌又能保持天然风味的目的。食品高压灭菌如在室温下进行，一般需300MPa以上的压力才能达到实用目的。即使如此，也仅是对高酸性食品效果较好，而对中、低酸性食品仍难以达到商业灭菌要求。为提高灭菌效果，可采用两种方法。一种是大幅度提高灭菌压力，另一种是采取加压和加温(或降温)相配合。一般来说，大幅度提高灭菌压力将导致设备庞大、造价高，而且技术难度也相应加大。而采用加压与加温(或降温)配合的方法虽能降低灭菌压力，但加温或降温必然使食品质量受到一定影响，而且导致设备复杂化；同时，由于加温和加压存在拮抗问题，也使其工艺技术复杂化。如日本《公開特許公報》所公開的特開平5-49457和平4-198642即是采用在加热的基础上再施以高压。这虽能在一定程度上降低处理压力，但高压容器必须设置的加热装置、容器内的均热装置及其密封等导致设备和工艺复杂化、效率降低、成本上升。日本专利申请平3-133727所公开的方法基本上是室温下高压处理，但仅能处理PH值3.6以下的高酸性食品，对中、低酸性食品则难以达到商业灭菌要求。另外，在上述方法中所用高压介质均为水，在高压下对设备腐蚀较严重，必然降低设备使用寿命。就食品高压处理装置而言，目前有两类。一类是间接升压式，即压力介质由压力发生器经管路送入高压容器。另一类是压力容器内活塞直接加压式。日本专利申请特開平5-49457公开的设备为间接升压式，附加了加热和均热装置。受均热要求限制，该设备中高压容器的长径比不可能做得较大。因而，要提高容器耐压强度，必须选用特种优质材料或加大容器框架尺寸。但这必须导致设备庞大、造价高昂。《食品与机械》(总三十三期，1991年P38～40)介绍了另一种间接升压式高压处理装置。该装置的高压容器部分为高强度不锈钢制作的内外双层圆筒结构。内外筒是热套装配而成。筒体的上下盖用高强度钢板制做的叠层框架支承。该装置的使用压力为400MPa左右，有效容积为50升。由于该装置采用高强度不锈钢和双层结构，因而成本高、制造工艺复杂。另外，其筒体上下盖的叠层支承框架结构庞大，使容器的内容积受到限制，而且操作复杂，生产效率低。同时该装置的允许使用压力也较低，难以满足中酸性、低酸性食品商业灭菌效果的要求。
本发明的目的是提供一种在室温下对食品进行高压灭菌处理的方法和装置。所提供的方法要工艺简单、效率高、成本较低；不仅可处理高酸性食品，也可处理中、低酸性食品；所用压力介质对设备无腐蚀、对人体无毒害、使用性能良好。所提供的装置应结构简单、成本较低、耐压强度高，容器容积能做得较大，操作方便，生产效率较高。
本发明的目的是这样实现的其工艺方法为a.把清洗干净的被处理物料装入柔性或半刚性包装容器内进行真空脱气处理后将容器口予以密封。
b.将密封好的柔性或半刚性包装物料装入高压容器内，或者，将密封好的包装物料用柔性外套封合后装入高压容器内。
c.在室温下将高压容器内充以≥300MPa的压力，其压力介质为癸二酸二辛酯。
d.保持压力1秒钟至30分钟后卸除压力。
e.取出包装物料洗净并干燥。
在上述方法中，真空脱气处理的真空度为0.02～0.08MPa。为既保证灭菌效果又能提高效率，根据被处理物料PH值的不同，灭菌压力和保压时间可分别在400～700MPa和5～20分钟范围内选择。
实现上述工艺方法的高压处理装置包括升压系统由双柱塞往复式超高压增压机、进排液阀和高压管路组成；高压容器为单层筒形结构，筒体的两端分别用密封堵头和密封元件密封。筒体的前端用螺栓与前夹板3、6和支承板5联接，前端密封堵头15由垫块2和前夹板3固定。筒体的后端与后夹板10、11用螺栓联为一体，后端密封堵头14由后夹板11固定。由升压系统输送的高压介质经后密封堵头14上的进排孔进入高压容器的筒体8，从而实现对容器中物料的高压灭菌处理。工作时，其轴向载荷最终由筒体承受。
为提高容器强度和使用寿命并减小容器壁厚，容器筒体用高强度钢制作，并经自增强处理，此时筒体的壁厚比应大于等于1.2。
为保证密封效果，筒体与密封堵头间的密封元件用三角垫17、皮革垫18和O型圈19组合而成。三角垫用钢或铜制作。为便于包装食品装入容器和取出，筒体中设有用于盛放食品的料架。料架的结构形式可以是篮筐式、筒形或槽形。
本发明的方法和装置实现了在室温下对中、低性食品的高压灭菌处理。其工艺简单、效率高、成本低。所用高压介质无毒害、无腐蚀、易清洗、工艺性能优良，并可多次重复使用。其高压容器的筒体为单层结构，制作工艺简单、成本低廉；筒体端头的支承结构也大为简化，不仅降低了成本，而且减小了整个装置的体积，使容器的有效容积能做得较大，从而提高了生产效率。筒体采用高强度钢制作，并经自增强处理，容器的耐压强度和使用寿命得到大幅度提高。另外，其支承和料架结构也使包装食品物料装入筒体和取出更为方便。
以下对本发明作进一步详细说明。
图1为果汁的高压灭菌压力与灭菌效果关系曲线。
图2为果汁的高压灭菌保压时间与灭菌效果关系曲线。
图3为本发明中的高压容器外形结构示意图。
图4为本发明实施例中高压容器部分的结构示意图。
图5为图4中筒体两端头的密封结构示意图。
图6为图4中A-A截面剖视图。
在造成食品腐败变质的诸多因素中，微生物和酶的作用居首位。经高压处理后，食品中酶的催化反应被抑制，即高压会导致食品中酶的失活。而高压对微生物的作用却较为复杂。食品高压灭菌的效果与其酸碱性密切相关。在罐头工业中，PH值4.6以下的食品为高酸性食品，PH值≥4.6的食品为中、低酸性食品。在高酸性食品中肉毒杆菌及病原菌不易繁殖，所以一般在较低压力下处理即可长期保存。如对PH值小于4的柑桔类高酸性食品，酵母、霉菌、乳酸菌等是其变质腐败的主要原因。在400MPa压力下处理10分钟即可将这些微生物减少或杀灭，使该类食品保存期达数月至一年半。因此，在室温下对高酸性食品进行高压灭菌保鲜处理已毫无问题。对PH值较高的中低酸性食品的高压灭菌保鲜则难度较大。其解决途径如前所述，一是大幅度提高处理压力，另外是在加热或降温的同时施以适当的高压。无疑，无论加热与加压结合，还是降温与加压结合，均需为高压设备装设专门的加热(或致冷)、均温、测温等装置。这不仅使高压设备复杂化，也使高压灭菌工艺复杂、效率降低。而且，各种附属装置的装设以及温度压力的交变应力也会使高压设备的疲劳寿命缩短。而采用室温下提高处理压力的方法虽有设备和工艺简单、处理效率高等优点，但对高压容器的结构强度、疲劳寿命的要求较高，同时也必需以适宜的工艺与之相配合。本发明即是采用适宜的工艺和特制装置相配合实现其目的的。
本发明采用柔性或半刚性容器做为被处理物料的包装容器，在高压灭菌前对包装内的物料进行真空脱气予处理。经脱气处理，随包装容器中空气的减少，各种导致食品腐败的细菌必然减少，细菌存活的条件也受到限制，从而延长了食品的保存期。同时，真空脱气处理有利于保证包装容器的完整性，并且也能直接提高高压灭菌处理的效率。这是因为，在对食品包装时，包装内存在一定量的气体是不可避免的，由于在高压处理时残存气体的体积几乎被压缩至零，与无气体情况相比，这种体积的变化无形中增大了包装容器的负荷，极易导致容器变形或破坏。而且，该气体容积直接制约着高压处理的压力和时间。该气体量越多，所消耗的增压能量越大，耗时也越长。这不仅导致效率降低，而且意味着要达到同样的处理压力时对增压设备提出了更高要求。经适度的真空脱气处理后，基本上消除了这些问题。特别是如采用柔韧性较好的袋状包装容器，其效果更佳。真空脱气的真空度一般控制在0.02～0.08MPa范围内为宜。经真空脱气并密封好的包装物料装入高压容器的形式可以是直接装入，也可以再用柔性外套将包装物料一件或数件一起封合后装入。后者的目的主要是为了进一步防止食品污染和高压处理后便于清洗。柔性外套可重复使用。
由于食品高压处理是在100MPa以上的压力下进行，所以对压力介质也有特殊要求。在较低压力下，液体被认为是不可压缩的。但在高压下，绝大多数液体随着压力的增加体积逐渐被压缩。为提高高压处理效率，要求高压介质的可压缩性尽可能小。随着压力的增大，压力介质的粘度增加，流动性降低，因而影响介质传递压力的功能。所以要求压力介质在高压下保持较好的流体状。为避免因压力介质在高压下发生凝固现象而导致高压装置失效及事故发生，压力介质在高压下应具有不易凝固性。为延长增压机、阀门、动密封元件等的使用寿命，并获得可靠的超高压密封效果及较高的机械效率，压力介质需具有良好的润滑性且无腐蚀性。卫生清洁性是食品加工的重要条件，因此，压力介质必须无毒害、无污染。考虑到万一泄漏后的安全性，压力介质还应具有较高的引火点。本发明选用癸二酸二辛酯作为压力介质，完全满足上述各项要求。特别是该介质在高压下流动性良好，使高压处理装置较易升到高压；对设备无腐蚀、润滑性好，因而使设备易保养、使用寿命延长。
在室温下，影响高压灭菌效果的最主要因素是灭菌压力和保压时间。随着灭菌压力的增高保压时间可适当缩短，即欲达同样的灭菌效果，在一定压力范围内，可采用较高压力较短的保压时间，也可采用较低压力较长保压时间。无疑，前者灭菌效率高，但对设备要求高；后者灭菌效率低，但对设备要求较低。图1是保压时间一定时果汁的高压灭菌压力与灭菌效果关系曲线。图2是灭菌压力一定时果汁的高压灭菌保压时间与灭菌效果关系曲线。从图1中可知，从约100MPa开始，随着处理压力的增高，两种果汁中的微生物数从每毫升约800个和4000个急剧降低；当处理压力达300～400MPa时，两种果汁中的微生物数均已趋近于零。由图2可知，当处理压力为500MPa时，保压10分钟，果汁中残存菌数已达极低水平(约10个/ml)，但保压30分钟时，残存菌数才接近于零；将处理压力提高到700MPa时，保压时间对灭菌效果则极为显著，当保压时间约2分钟时，残存菌数已接近于零。另外，如前所述，在一定的高压灭菌条件下，食品的酸碱度直接影响灭菌效果。亦即，要达到同样的灭菌效果，PH值低的高酸性食品所需灭菌压力较低、保压时间较短；而PH值高的中、低酸性食品则需较高压力和较长保压时间。一般来讲，在本发明工艺、设备条件下，在≥300MPa的压力下，高酸性食品保压时间选择1秒至10分钟即可达到商业灭菌要求，而中、低酸性食品则需在400～700MPa压力下保压5～20分钟才能达到同样效果。
本发明中高压灭菌装置的高压容器结构如图3、图4所示。在图3中，容器的筒体8为单层圆筒结构。筒体的前端与前夹板3、6支承板5用数对螺栓4、螺母7联为一体。前夹板6固定于底板1上。前密封堵头15经前夹板3和垫块2固定。筒体后端用数对螺栓9、螺母12与后夹板10、11固定。后密封堵头14由后夹板11固定。前后密封堵头与筒体间用密封元件予以密封。筒体后端常闭。孔13为压力介质出入筒体的通路。筒体前端经常启闭，前夹板3开有圆孔，为被加工物料出入口。在图4中，高压容器的筒体和支承部分的结构均与图3中相同。筒体8用高强度钢制作。筒体的前后密封堵头15和14与筒体内壁的密封采用如图5所示的三角垫17、皮革垫18和O型圈9组合密封的结构形式，在密封堵头的端部设有挡板20。该密封结构简单，密封效果好。在实用中，据使用情况，也可省去皮革垫18。如图6所示，筒体8中装有横截面为圆环形的料架16。对食品进行高压处理时，首先卸下垫块2和前密封堵头15以及密封元件，从前夹板3的开孔中拉出料架16，在料架中装入包装好的食品。然后将料架和食品推入筒体中，装好密封元件、密封堵头和垫块，从筒体后端的孔13输入来自升压系统的压力介质。待压力达到所需值时，保压一定时间，即完成对食品的高压灭菌处理。之后，升压系统卸压，压力介质从孔13回流到升压系统。然后按前述操作过程开启筒体，取出料架上经高压灭菌的包装食品。为便于盛放食品，料架16也可做成篮筐式或槽形结构。另外，实用中，高压容器的筒体可用壁厚比(即外内径之比)大于等于1.2的高强度钢制成后再经自增强处理。这样，不仅可减小容器壁厚，而且使其耐压强度和使用寿命大幅度提高。
以下是本发明的实施例。
实施例1所用高压处理装置中的超高压泵为卧式双柱塞往复式超高压增压机，其输出压力为981～1000MPa。高压容器采用图3和图4所示的结构，筒体用壁厚比为2的PCrNi3MoV钢制成后又经自增强处理，其有效容积为66.7升。所处理物料为“红优二号”西瓜果肉汁，其PH值为5.7。所采用工艺为将物料清洗干净后取瓤去籽；将去籽后的西瓜果肉汁装入半刚性聚酯瓶内，充填度在95％以上；在真空除气密封机中于真空度0.05MPa条件下进行真空脱气处理后将瓶口密封；将密封好的包装物料用外套封合后装入高压容器内；启动升压系统，在室温下将高压容器内充压到550MPa(其压力介质为癸二酸二辛酯)并保压15分钟后卸压；去除外套后清洗包装瓶外表面并自然干燥。
实施例2所用设备和处理物料与实施例1相同，所用工艺中与实施例1不同之处在于，聚酯瓶外不加装外套直接装入高压容器内处理。
实施例3所用设备和处理物料与实施例2相同。所用工艺与实施例2不同之处在于，脱气处理的真空度为0.02MPa，处理压力为700MPa，保压时间1秒钟。
实施例4除脱气处理的真空度为0.08MPa，处理压力为500MPa，保压时间为30分钟外，其他均与实施例2相同。
实施例5所处理物料为蔬菜菜花和青椒。物料最后平衡的PH值大于4.3。所用设备和高压处理前的予处理与实施例1基本相同。处理压力分别为300、400、500、600MPa，保压时间10分钟。
实施例6处理物料为菜花。除处理压力为300MPa、保压时间为30分钟外，其他与实施例5相同。
实施例7处理物料为青椒，除处理压力为500MPa、保压时间为5分钟外，其他与实施例5相同。
表1～表6所列为本发明部分实施例的灭菌和保鲜效果检测数据。由表1、表2的数据可知，对西瓜果肉汁这样的低酸性食品，其灭菌压力和保压时间均要求较高(一般需550MPa、5分钟以上)。经550MPa保压5～15分钟处理，其微生物检测指标均达到国家食品卫生标准。经该工艺处理后，西瓜果肉汁中过氧化酶活力下降了42％(见表3)，这对于控制果胶酶等的连续作用，防止食品变质，长期保持食品的自然风味有着重要的意义。经贮存试验的实际考核，该工艺处理后的西瓜果肉汁的包装有效期达9个月以上。关于营养成份和有害元素含量，经实际检测表明，经该工艺处理后，西瓜果肉汁的组份几乎未改变。尤其是Vc等热敏性物质均未遭到破坏，可知该西瓜果肉汁仍具有原料果肉汁的全部营养价值。而且，有害元素的含量与原料相比几乎未增加，完全符合国家食品卫生标准(见表5)。表4为部分实施例中菜花和青椒在不同压力下处理后微生物存活量的实际检测值。由表中数据可知，对于青椒、菜花这样的中酸性食品，灭菌压力和保压时间要求较低，在300Mpa以上的压力下处理均可达到国家食品卫生标准要求。但为提高蔬菜中酶的失活程度，使产品的包装有效期得以延长，则需将其处理压力选得较高。表6即为青椒、菜花500MPa、10分钟保压处理后经实际贮存的包装有效期试验结果。由表中数据可知，其包装有效期达6个月时，微生物存活数仍保持很低值，即仍处于商业无菌状态，完全符合国家食品卫生标准。
本发明不仅适用于菜蔬、果品的灭菌保鲜，也可用于其他食品、饮料以及医药品等的保鲜和灭菌处理。
表1处理压力对西瓜果肉汁中微生物存活数的影响
<p>表2保压时间对西瓜果肉汁中微生物存活数影响
表3西瓜果肉汁高压处理前后酶的活力
表4处理压力对菜花、青椒中微生物存活数的影响
权利要求
1.一种食品高压灭菌方法，它是将食品置于高压容器中在100MPa以上的静压力下保压一定时间后达到灭菌目的，其特征在于a.把清洗干净的被处理物料装入柔性或半刚性包装容器内进行真空脱气处理后将容器口予以密封；b.将密封好的柔性或半刚性包装物料装入高压容器内，或者将密封好的包装物料用柔性外套封合后装入高压容器内；c.在室温下将高压容器内充以≥300MPa的压力，其压力介质为癸二酸二辛酯；d.保持压力1秒至30分钟后卸除压力；e.取出包装物料洗净并干燥。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于真空脱气处理的真空度为0.02～0.08MPa。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于高压容器内所充压力为400～700MPa，保压时间为5～20分种。
4.一种用于权利要求1所述方法的高压灭菌处理装置，主要由升压系统和高压容器两部分组成，其特征在于高压容器为单层筒形结构，筒体的两端分别用密封堵头和密封元件密封，筒体(8)的前端用螺栓与前夹板(3、6)和支承板(5)联接，前端密封堵头(15)由垫块(2)和前夹板(3)固定；筒体的后端与后夹板(10、11)用螺栓联为一体，后端密封堵头(14)由后夹板(11)固定，其上设有压力介质进排孔(13)。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于筒体用高强度钢制作，并经自增强处理，筒体的壁厚比大于等于1.2。
6.根据权利要求4或5所述的装置，其特征在于筒体两端头的密封元件由三角垫(17)和O型圈(19)组合而成，三角垫用钢或铜制作。
7.根据权利要求4或5所述的装置，其特征在于筒体两端头的密封元件由三角垫(17)、皮革垫(18)和O型圈(19)组合而成，三角垫用钢或铜制作。
8.根据权利要求4或5所述的装置，其特征在于筒体中装有用于盛放被处理物料的料架。
9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于料架的结构为篮筐形、筒形或槽形三种形状中的任一种。
全文摘要
本发明公开了一种食品高压灭菌的方法和装置。其方法是将真空除气密封后的包装物料在室温高压容器中300MPa以上静压力下保压1秒至30分钟后卸压，压力介质为癸二酸二辛酯。其装置由高强度钢制作的单层筒体、密封元件、固定框架等构成的高压容器部分和升压系统组成。将高压容器的筒体自增强处理后其强度和使用寿命更高。用该方法处理的食品既可长期贮存又保持了营养成分和天然风味。该方法和装置可用于食品、饮料、医药品等的灭菌处理。
文档编号A23L3/015GK1133693SQ9610118
公开日1996年10月23日 申请日期1996年2月16日 优先权日1996年2月16日
发明者张玉诚, 王换玉, 张福长, 才鸿年, 赵振龙, 钱学梅, 郝姝, 王孝信, 李沼, 张兴斌, 赵瑛, 贾恩厚 申请人:中国兵器工业第五二研究所