超高壓食品加工設備現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

徐圣捷，趙東，高祥，劉承，黃偉濤

濟南大學機械工程學院（濟南 250022）

食品超高壓技術（Ultra-high pressure processing，UHP），亦稱高靜壓水技術（Hydrostatic pressure，HHP）[1]，是當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。所謂食品超高壓技術，就是將被加工食品以一定形狀或規(guī)格進行包裝，置于超高壓設備滅菌缸中，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間從而達到殺菌、滅酶、改善食品特性等作用[3]，延長食品保存時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行。加工后的食品殺菌效果好、口感獨特、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。超高壓會導致微生物的形態(tài)結(jié)構、生物化學反應、基因機制以及細胞壁發(fā)生多方面的變化，影響微生物原有的生理活動的機能，微生物原有功能被破壞甚至發(fā)生不可逆變化[5]。

1 超高壓食品加工設備簡介

當前市場中超高壓食品加工設備主要有高壓系統(tǒng)和加壓-卸壓系統(tǒng)組成。加壓-卸壓系統(tǒng)在工作時為高壓系統(tǒng)提供傳壓介質(zhì)的升壓、降壓服務。高壓系統(tǒng)的滅菌缸是整個設備的核心工作部分。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1 000 MPa。巨大壓力致使滅菌缸工作環(huán)境惡劣，進而導致滅菌缸筒體應力分布復雜。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備的滅菌缸從材料選擇到結(jié)構設計要求都非常嚴格，成為超高壓食品加工設備研究與開發(fā)的重要一環(huán)。

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

2 超高壓食品加工設備分類

2.1 按照結(jié)構特點分類[8-9]

超高壓食品加工裝置工作時產(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承壓框架內(nèi)，在推動5活塞向上運動時，頂住滅菌缸2，向上運動的期間，滅菌缸內(nèi)產(chǎn)生超高壓，對缸中的食物進行處理。整個裝置在實際運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)構簡圖如圖2所示，結(jié)構較分體式稍有不同。在油泵和三位四通換向閥作用下，推動增壓活塞4向上運動，與高壓缸蓋1相互作用，對滅菌缸2中的食品進行處理。整個裝置活塞4與高壓缸蓋1、滅菌缸2之間需要加超高壓動密封。

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)構如圖3所示。該裝置分別獨立地設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)的食物進行處理。高壓端蓋1和滅菌缸2之間要添加超高壓動密封結(jié)構。

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向上運動，帶動上密封頭7向上運動后，油缸12將滅菌缸5和承壓框架3沿著滑軌2移動，露出滅菌缸5口部，將包裝好的食物置于滅菌缸5后，再沿滑軌移動到預定位置，排出空氣后，系統(tǒng)進行加壓，保壓一段時間，卸壓。油缸12會將滅菌缸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力學和殺菌效果不會產(chǎn)生太大影響，僅增加升壓時間。

間歇式超高壓滅菌裝置雖然可以實現(xiàn)機械化操作，具有安全系數(shù)高、穩(wěn)定性好等特點，但是從整個加工過程來看，在裝料、加壓、保壓、卸料等操作過程中存在大量時間和能量的耗費，導致加工成本增加。整個設備亟待結(jié)構優(yōu)化和工作過程改進以改善當前這種狀況。

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備，每一組的3個工位上放置左、中、右3個位置滅菌缸，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)進行充介質(zhì)升壓，之后保壓一段時間，卸壓。堵頭7卸掉對滅菌缸4的密封，滅菌缸4進入右位，取出滅菌缸4中已經(jīng)加工好的食物。完成一個工作過程。

每一個容器組的整個加工過程由3個滅菌缸同時進行工作，3個位置的滅菌缸同時進行裝料、加壓滅菌、卸壓、取料，整個過程設備實現(xiàn)半連續(xù)化加工，降低生產(chǎn)成本。

圖5 超高壓半連續(xù)式殺菌設備主體示意圖

2.2.3 連續(xù)式加工

在實際的工業(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個關鍵工作過程問題。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行階梯遞增，在中間壓力最大位置對料倉進行定時保壓，再從右端滅菌口中依次推出，具體結(jié)構簡圖如圖6所示。

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圖6 超高壓連續(xù)物料滅菌裝置簡圖

3 超高壓食品加工設備現(xiàn)狀及未來發(fā)展趨勢

超高壓技術被稱為當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)過近半個世紀的發(fā)展，中國在超高壓技術的理論體系、機理研究、技術開發(fā)已經(jīng)取得一系列成果，但距離國外發(fā)達國家在很多方面還具有較大的差距，仍存在幾個主要問題。

3.1 超高壓設備的技術難度較大

超高壓食品加工設備對材料選擇、結(jié)構設計、結(jié)構密封、運行壽命安全性等方面提出嚴格要求，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 超高壓加工過程復雜[13]

超高壓加工主要是利用超高壓對食物中的病毒、細菌及芽孢進行殺菌滅活處理，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間）。部分食物中的芽孢要達到預定殺滅效果，對工藝參數(shù)的要求較高。同時，目前缺乏相應的標準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 國外的設備價格相對較貴[14]

在一些關鍵技術還無法取得突破的情況下，國外設備高昂的價格對生產(chǎn)企業(yè)的設備引進和技術消化吸收帶來瓶頸。

進入21世紀以來，超高壓加工技術以其獨特的技術優(yōu)勢在食品行業(yè)占據(jù)一席之地，甚至被世人譽為“21世紀十大尖端科技”之一。時至今日，超高壓加工技術涉及水產(chǎn)品、液體飲料、肉制品、有效成分提取等諸多方面。

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