在日益升級的消費(fèi)浪潮中，消費(fèi)者對個性化、差異化乳制品的需求不斷提高，而在發(fā)酵乳制品中添加果泥、帶顆粒的果醬，獲得吃得爽、嚼得到的直接感受，逐漸受到消費(fèi)者的青睞和認(rèn)可，成為液態(tài)食品增長的新動力、新方向。目前在發(fā)酵乳制品中添加果醬原料主要采用無菌雙線法完成，采用獨(dú)立的管式殺菌機(jī)分別處理基料及果醬原料后在線無菌混合，確保產(chǎn)品最佳殺菌效率；果醬原料屬于非牛頓流體，其在超高溫處理過程中在管道中的壓力降主要為管道摩擦壓力降、速度壓力降及靜壓力降之和，物料的粘度、殺菌機(jī)流量、管徑、彎頭等均對其系統(tǒng)壓力產(chǎn)生顯著影響，同時由于不同類型的果醬其粘度存在顯著差異，在產(chǎn)品設(shè)計及工業(yè)化轉(zhuǎn)化過程中選擇高粘度果醬易出現(xiàn)因系統(tǒng)壓力升高，進(jìn)料泵動力不足導(dǎo)致殺菌機(jī)斷料，而選擇低粘度果醬難以保證生產(chǎn)過程中顆粒的均勻性。因此，殺菌機(jī)系統(tǒng)壓力降與果醬物料粘度的匹配性成為影響產(chǎn)品上市及后續(xù)生產(chǎn)成本的關(guān)鍵因素。

現(xiàn)代殺菌機(jī)不是只針對單一品種物料進(jìn)行殺菌，往往一機(jī)多用，即同一殺菌機(jī)上完成多種產(chǎn)品的殺菌任務(wù)，這就需要?dú)⒕鷻C(jī)在設(shè)計時提出一個比較復(fù)雜的殺菌工藝，兼顧多個生產(chǎn)品種，以滿足不同消費(fèi)者對于不同口味的需求。因此，新產(chǎn)品上市過程中，往往需要對管式殺菌機(jī)進(jìn)行改造，以滿足不同粘度果醬生產(chǎn)需求。為滿足高粘度酸奶在管式殺菌機(jī)內(nèi)部的通過性，依據(jù)壓降計算公式，可以通過降低管路長度或降低生產(chǎn)流量來實(shí)現(xiàn)。殺菌機(jī)管路和流量的調(diào)整，會影響果醬在殺菌機(jī)內(nèi)部受熱溫度和受熱時間，進(jìn)而影響果醬中微生物滅活效果。因此，在對果醬管式殺菌機(jī)進(jìn)行改造過程中，評估果醬受熱情況，前提是確保產(chǎn)品安全，降低因微生物而引發(fā)的質(zhì)量風(fēng)險。

本研究依據(jù)管式殺菌機(jī)結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)物理學(xué)公式，構(gòu)建果醬管式殺菌機(jī)系統(tǒng)壓降和殺菌強(qiáng)度計算模型。通過對9種不同類型果醬動力學(xué)粘度進(jìn)行檢測，帶入模型計算理論殺菌強(qiáng)度與壓降。選擇一種具有代表性的高粘度果醬，評估該果醬在管式殺菌機(jī)內(nèi)的實(shí)際運(yùn)行壓降和殺菌強(qiáng)度，完成管式殺菌機(jī)適配性評估及改造。本研究為果醬與管式殺菌機(jī)的匹配性評估奠定理論基礎(chǔ)及科學(xué)依據(jù)。

果醬江西奕方農(nóng)業(yè)科技有限公司。

Rheolab QC旋轉(zhuǎn)流變儀奧地利安東帕有限公司；果醬殺菌機(jī)。

選取不同粘度果醬使用UHT殺菌機(jī)進(jìn)行殺菌，殺菌過程記錄殺菌機(jī)整機(jī)的實(shí)際運(yùn)行壓力值、溫度值和受熱時間，用于模型搭建。

采用Anton Paar公司生產(chǎn)的Rheolab QC型旋轉(zhuǎn)流變儀通過測量旋轉(zhuǎn)扭矩和速度來測量果醬的粘度。由于果醬粘度受剪切速率、溫度及壓力等因素的影響，所以需要對果醬的動力粘度進(jìn)行測定，進(jìn)行分析時需選取合適的粘度回歸模型。將冷藏果醬冷卻至室溫后，選擇CC27型號測量夾具，采用79312型號四葉片防沉降槳式轉(zhuǎn)子，此轉(zhuǎn)子適合測量含顆粒物（>0.1mm）的有沉積傾向的樣品。均勻采取果醬樣品，移入測量夾具量杯中，添加至內(nèi)部刻度線即可。設(shè)置預(yù)剪切1min，剪切速率設(shè)定為100s-1，每隔15s讀取一次數(shù)據(jù)，共讀取60個數(shù)據(jù)點(diǎn)，測定15℃升溫至90℃過程中果醬的動力粘度曲線。

果醬經(jīng)過殺菌機(jī)管路后的系統(tǒng)壓降由三部分組成，分別為靜壓力降ΔPa，速度壓力降ΔPN和摩擦壓力降ΔPf?？倝毫郸=ΔPa+ΔPN+ΔPf，不同壓力降的計算方法如下：

式中：

Z1—管道始端標(biāo)高，m;

Z2—終端標(biāo)高，m;

u1—始端的果醬流速，m/s;

u2—終端的果醬流速，m/s;

u—果醬在管道內(nèi)的平均流速，m/s;

ρ—果醬的密度，kg/m3;

λ—摩擦系數(shù)；

L—管道長度，m;

D—外管道內(nèi)直徑，m;

K—管件、閥門等阻力系數(shù)。

K的取值見表1。

一般情況下摩擦系數(shù)λ的取值與雷諾數(shù)Re有關(guān)，果醬殺菌過程屬于在圓管內(nèi)進(jìn)行層流運(yùn)動，因此λ的計算公式如下：

式中：

d—內(nèi)管道內(nèi)徑，mm;

μ—果醬粘度，m Pa·s。

殺菌機(jī)殺菌過程中果醬物料被連續(xù)處理，果醬在管道內(nèi)經(jīng)歷了升溫、恒溫和冷卻三個主要過程，所受殺菌強(qiáng)度可依據(jù)以下公式進(jìn)行計算;

式中：

T(t）—果醬冷點(diǎn)的溫度，℃；

T(r）—?dú)⒕鷺?biāo)準(zhǔn)溫度，℃；

Z—微生物耐熱性特征值，℃；

t—加熱時間，s。

通常將Z值默認(rèn)為10℃，此時當(dāng)殺菌溫度T(r）為121℃時，F(xiàn)值被稱為標(biāo)準(zhǔn)F值，用F0表示。而T(t）果醬冷點(diǎn)的溫度（℃）計算公式如下：

式中：

ti—某一段殺菌管路入口處的溫度，℃；

x1—?dú)⒕苈啡肟诘臅r間，min;

x2—?dú)⒕苈烦隹诘臅r間，min;

y1—?dú)⒕苈啡肟诘臏囟?，℃?/p>

y2—?dú)⒕苈烦隹诘臏囟?，℃?/p>

為了便于理解，我們繪制了圖1。圖1為溫度隨時間變化趨勢線，A點(diǎn)和B點(diǎn)分別為殺菌管路入口和出口；圖1b中黑色陰影部分面積為從A點(diǎn)到B點(diǎn)整個升溫過程累積殺菌強(qiáng)度。

果醬殺菌壓降和殺菌強(qiáng)度計算模型采用R語言（4.2.0版本）編譯，數(shù)據(jù)可視化采用R語言tidyverse包執(zhí)行。

為了評估高粘度果醬在已有殺菌機(jī)內(nèi)部壓降值，本研究構(gòu)建了果醬管式殺菌機(jī)壓降計算模型。構(gòu)建模型所用殺菌機(jī)基礎(chǔ)管路信息見表2。該殺菌機(jī)與純奶超高溫殺菌機(jī)結(jié)構(gòu)相比較為簡單，共有5段管線，可實(shí)現(xiàn)果醬原料從8℃入口，到115℃殺菌，之后降低至25℃出口。此外，與純牛奶殺菌機(jī)區(qū)別之處在于，所有管線結(jié)構(gòu)均為套管，即外管內(nèi)部僅有一根內(nèi)管，這樣的結(jié)構(gòu)主要是為了滿足顆粒型果醬在殺菌機(jī)內(nèi)部的通過性。

本研究采用芒果燕麥果醬構(gòu)建壓降計算模型，首先對芒果燕麥果醬的動力粘度進(jìn)行檢測（圖2a）。15℃條件下芒果燕麥果醬粘度8000m Pa·s，當(dāng)果醬溫度上升至90℃時，粘度下降至3000m Pa·s左右，表明溫度對芒果果醬粘度影響顯著。結(jié)合管式殺菌機(jī)結(jié)構(gòu)，計算得到殺菌機(jī)每段管線壓降，并繪制壓降提升示意圖（圖2b），由圖可知，芒果燕麥果醬在管式殺菌機(jī)內(nèi)部合計壓降為58bar。為驗證模型計算結(jié)果準(zhǔn)確性，本研究對芒果燕麥果醬進(jìn)行生產(chǎn)線測試，芒果燕麥果醬在管式殺菌機(jī)內(nèi)部壓力運(yùn)行曲線見圖2c。由圖可知，殺菌機(jī)管路內(nèi)部PT10和PT31壓力表合計壓力達(dá)到59bar。理論計算壓力與實(shí)際運(yùn)行過程壓力分別為58bar和59bar（圖2d），計算誤差為1.72%。綜上，本研究構(gòu)建的壓降計算模型，可以準(zhǔn)確地預(yù)測果醬在管式殺菌機(jī)內(nèi)部的壓降。

用于水果原料加工的果醬生產(chǎn)技術(shù)可能是影響最終產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵控制點(diǎn)。食品安全的概念是如果按照適當(dāng)?shù)挠猛局苽浜?或食用，食品不會對消費(fèi)者造成傷害。管式換熱器比板式換熱器成本低，但前者每單位長度的管具有較低的熱交換表面積，因此管式換熱器管的長度是保證熱傳遞的必要條件。熱處理過程的計算取決于特定時間和溫度范圍內(nèi)微生物的滅活。在恒定溫度下將微生物種群減少10倍所需的時間稱為該過程的D值，D值提供了微生物細(xì)胞或孢子耐熱性的定量指標(biāo)。根據(jù)參考溫度下D值的倍數(shù)量化提供給食品原料殺菌強(qiáng)度的過程，也稱為參考條件下的F值。我們計算了果醬管式殺菌機(jī)傳熱面積，該殺菌機(jī)傳熱面積達(dá)到29m2（圖3b）。為評估殺菌機(jī)在處理果醬過程中微生物安全性，本研究采用前文構(gòu)建的殺菌強(qiáng)度計算模型，計算果醬管式殺菌機(jī)的殺菌強(qiáng)度（圖3a，圖3c），由圖可知當(dāng)殺菌溫度為107℃，參考溫度為90℃，殺菌機(jī)流量為2m3/h時，整機(jī)殺菌強(qiáng)度為170min。

模型的驗證通常被定義為從預(yù)期用途的角度確定模型在多大程度上是真實(shí)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確表示過程。為評估壓降和殺菌強(qiáng)度理論計算模型準(zhǔn)確性，本研究檢測了9種常溫液態(tài)奶制品中添加的果醬粘度（圖4a，圖4b）。這些果醬根據(jù)其特性大致可分為兩組：含顆粒/不含顆粒（或高粘度/低粘度）。從圖4b可看出，9種果醬的粘度與溫度相關(guān)性系數(shù)范圍為：-0.75～-1，表明溫度對果醬粘度影響顯著。此外，含顆粒果醬動力粘度曲線平滑度和相關(guān)性系數(shù)較低，原因是粘度檢測過程中不規(guī)則顆粒在粘度計夾具中擠壓受力不均勻。其中，7#百香果醬的粘度最低，20℃時粘度不足100m Pa·s，最高的4#樣品20℃時粘度為10000m Pa·s。兩種果醬巨大的粘度差異會導(dǎo)致殺菌過程中壓降差異（圖4c）?？梢钥吹剑?種果醬在殺菌機(jī)內(nèi)部相同時間流動過程中，理論壓降范圍為8.0bar～83.0bar。考慮到殺菌機(jī)管路設(shè)計承壓最高不超過50bar，因此需要降低果醬的粘度，或?qū)u管式殺菌機(jī)進(jìn)行改造。

本研究對果醬管式殺菌機(jī)進(jìn)行改造，以降低果醬殺菌過程中壓降值。對于本研究涉及的管式殺菌機(jī)來說，靜壓力降ΔPa主要來自殺菌機(jī)進(jìn)出口高度差，殺菌機(jī)進(jìn)出口是為了滿足上下游設(shè)備連接性，不具有改造可行性。由于殺菌機(jī)進(jìn)出口流速基本一致，速度壓力降ΔPN在實(shí)際計算中可以忽略。因此主要可通過調(diào)整ΔPf來降低總壓降。由模型（1）可知，管路長度L和流速u對摩擦壓力降影響顯著。因此本研究對果醬殺菌機(jī)進(jìn)行了改造（表3）。

相比于改造前，總管路長度減少84m，為了保證改造后殺菌強(qiáng)度不低于改造前，將生產(chǎn)流量由原來的2t/h調(diào)整為1.5t/h，改造前后殺菌強(qiáng)度可見（圖5a，圖5b）。模型構(gòu)建后的驗證是至關(guān)重要的，因為工業(yè)生產(chǎn)中依賴模型的計算結(jié)果來證明決策的合理性。本研究以黃桃燕麥果醬為原料，進(jìn)行試產(chǎn)評估，以驗證模型的準(zhǔn)確性。我們監(jiān)控了黃桃燕麥果醬在改造前后的管式殺菌機(jī)內(nèi)部實(shí)際運(yùn)行過程中的壓降（圖5c，圖5d），結(jié)果顯示：改造前系統(tǒng)總壓降由67bar下降至48bar，可以滿足系統(tǒng)管路承壓需求，實(shí)現(xiàn)連續(xù)化生產(chǎn)。

綜上，本研究提出的果醬管式殺菌機(jī)殺菌強(qiáng)度和壓降理論計算模型，可以準(zhǔn)確地評估果醬理論壓降和受熱強(qiáng)度，可用于指導(dǎo)管式殺菌機(jī)設(shè)備改造和生產(chǎn)可行性分析。

本研究強(qiáng)調(diào)了果醬殺菌過程殺菌強(qiáng)度和壓降對于常溫液態(tài)奶制品生產(chǎn)的重要性，并基于果醬管式殺菌機(jī)設(shè)備結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)物理學(xué)公式建立其計算模型。本研究首次公開了高粘度果醬管式殺菌機(jī)改造前后設(shè)備總壓降和整機(jī)殺菌強(qiáng)度評估方法。基于這些計算模型和方法，生產(chǎn)企業(yè)無需進(jìn)行額外的經(jīng)濟(jì)投入，即可完成果醬管式殺菌機(jī)設(shè)備改造前后壓降和微生物安全性評估，并且這些理論和方法在本研究中進(jìn)行了實(shí)踐和驗證。這些結(jié)論對深入了解管式殺菌機(jī)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)果醬無菌化加工具有重要意義。