无菌加工与包装.docx

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无菌加工与包装

无菌加工和包装

过程：

在连续封闭的系统进行商业无菌加工。

该系统使用高温短时间（HTST）和超高温（UHT）流程。

由于缩短时间，无菌加工生产的产品保持高度的营养成分和优良的产品感官品质。

过度处理的倾向和过多考虑安全因素可能降低上述优越性。

现有几种热灭菌和冷却食品的方法。

在第3章（热交换器部分）中讨论这些系统的例子。

由于产品决定换热器的选用，各有优点和缺点。

无菌加工的封闭系统的重要之处包括脱气，由于大多数食品中存在封闭和夹带的空气，所以必须在灭菌前除去空气，从而提高产品质量并延长保质期。

产品含有高温颗粒是无菌技术的限制因素，这些颗粒通常在加热和冷却步骤外形破坏，质地松散。

改进泵送，加热和其他设备设计为克服这些障碍提供了光明的未来。

微生物学评估：

连续加工的微生物产品评估很困难。

虽然统计无菌采样很重要，但依赖过程控制势在必行。

包装：

从小型消费者包装到450,000L大容量储罐无菌容器有各种尺寸和形状。

从9L到更大的1350L单位，盒（箱）中袋技术在过去的几年增长显着，它们的使用和表现令人印象深刻。

在消费者包装的产品保质期一直是主要问题。

氧气渗透导致食品的保质期有限，金属罐或玻璃罐相反。

但是，新的具有更大的阻隔性的包装材料正在进入市场。

味道“串味”和层压材料挤出不均匀是需要持续改进的问题。

3.1系统及其要素

无菌加工系统可以分为几个要素：

（1）产品;

（2）流量控制;（3）产品加热;（4）保持管;（5）产品冷却;（6）包装（图13）。

产品属性决定了无菌加工的设计选择

系统。

产品考虑因素包括：

（1）液体或液体加颗粒;

（2）颗粒大小;（3）产品黏度;（4）产品颜色的热敏性和风味;（5）产品风味的波动;（6）产品的结垢特性。

用于无菌加工食品的系统在机械上非常复杂如果要成功运作，需要对细节一丝不苟。

3.2特定要素的特征

流量控制：

无菌加工依赖于产品的连续流动和连续流动的流程。

本文不包括连续流程相关的元素。

产品的不断流动依赖于泵，它们是无菌加工设计系统中的关键考虑因素。

FDA法规规定，“计量泵应位于保持管上游操作以保持所需的产品流速，应提供防止意外的速度变化的手段。

计量泵（有时称为定时泵）是正位移泵，因为这种类型对压降的敏感性低于离心泵。

无菌加工系统的离心泵主要用于初始灭菌系统的热水和清洁的管线。

正位移泵的类型的选择取决于产品特性例如黏度和颗粒的存在、系统中的压降和成本。

当系统中的压降低于150psi时产品均匀或含有小颗粒，最大尺寸不超过1/8”，旋转式正位移泵通常是最经济的选择。

均匀的产品在压降较大时使用高压活塞泵，在压降超过2350psi时，这是唯一可以使用的泵。

对于颗粒尺寸最大为3”的产品，往复运动活塞泵是最好的选择。

传热和冷却：

在包装之前，使用热交换器连续将产品的温度升高到保持温度并随后冷却产品。

用于提高/降低温度的方法分为直接（接触）或间接（非接触）热量交换方法。

第3章讨论了用于食品工业热交换器的类型。

保持管：

对于连续系统，设计保持管实现产品所需的微生物致死率。

因此，温度必须在保持管保持中规定的最小值，必须建立最小停留时间，以便形成保温温度和停留时间组合，确保产品无菌。

保持管是保温过程的核心设备必须符合商业无菌和某些预防措施。

必须每英尺至少倾斜0.25英寸以消脱气穴并确保自行排水。

必须具有良好的卫生设计标准，如内部光滑，容易拆卸检查故障和重新组装的安全系统，保证检查故障的管线没有缩短或改变直径（这会改变最小停留时间）。

管线不应被冷凝水或冷空气冷却而影响管中的产品温度。

热量不能用于沿管的任何一点。

最后，必须保持保持管中的压力充分高于产品在工艺温度下的二次蒸气压力防止闪蒸或沸腾。

这通常由过背压阀实现。

在入口和入口处监测产品在保持管中的压力。

在入口处使用温度记录器—控制器，温度偏离设定点可以启动适当的动作使加热器将温度恢复到设定点。

在保持管的出口和冷却器的入口之间，安装自动记录温度计。

其所需产品灭菌温度范围图表刻度10℉（6℃）不超过2℉（1℃）。

该产品在保持管出口处测量的温度用于确定充分性商业灭菌的过程。

脱气器：

大多数无菌加工的产品必须先进行脱气。

脱气防止在该加工过程中随着产品温度的升高而发生令人嫌忌的氧化反应。

脱气器通常由真空容器组成，其中产品连续暴露于真空环境。

脱气器的位置由产品而定。

较高温度下不可冷凝的气体溶解性较差，但风味成分也不稳定。

因此，提高脱气温度会损失更多的风味充分。

然而，如果产品耐受温度较高，脱气器提高操作温度操作更高效更经济。

对于无菌加工，产品中的残留氧变得更加重要，因为许多包装材料具有氧气渗透性，即使很小且不影响无菌，也会导致产品质量在储存时间内变质。

无菌缓冲罐：

无菌缓冲罐用于无菌加工系统使加工者在包装前存贮无菌产品。

无菌缓冲罐的容量具有从大约一百加仑到几千加仑的灵活性，特别适用于无菌产品的流速与包装容量不相容的系统。

阀门在缓冲罐末端和冷却部分以及包装系统安装阀门，允许操作员或多或少独立地进行加工和包装。

将产品泵入缓冲罐并用无菌空气或其他无菌气体在罐中施加压力通过保持正压。

正压必须监控和控制以保护无菌缓冲罐免受污染。

3.3过程的数学描述

由于涉及同时动量和传热的解决方案，无菌加工的加热过程计算很复杂。

此外，流体流动的非牛顿特征使问题复杂化。

如果液体中存在颗粒，则最慢的加热位置将位于最大颗粒的中心，因此必须计算向颗粒的热传递。

由于惯性或黏性，部分流体可以比管中剩余的更快地移动，从而导致停留时间分布。

描述含有颗粒的液体产品的无菌加工的数学公式涉及速率过程，包括加热和冷却流体、传递给食品颗粒、流体和颗粒的流动行为、以及产品在加热、保温和冷却段内的停留时间。

传热：

在含有流体产品的连续流动期间的传热颗粒涉及几个因素，例如：

（1）颗粒尺寸和形状，

（2）颗粒尺寸和分布，（3）颗粒和液体的停留时间分布热交换器和保温管中食品的组成部分，（4）在热交换器表面和颗粒/液体处的对流传热接口，和（5）用于加热和冷却的热交换器的类型。

该设计涉及建立保持管长度。

a）在热交换器或保持管中流动的流体中传热

加热，保持和冷却部分中的正常热传递可以通过在热交换器的增加区域即保持管上对流体（或含有颗粒的流体）进行能量平衡来计算。

在管式热交换器中，移动的流体从在管外部冷凝的蒸汽获得热能，并且流体将能量传递到颗粒。

此外，如果使用刮板式热交换器，则可能存在黏性的能量耗散。

假设能量的黏性耗散可忽略不计并且流体在径向方向上完美混合，则可以使用以下等式计算加热，保持和冷却段的热传递，增量长度Δx（Chandarana和Galvin，1989）。

加热

其中

保持管：

其中：

冷却：

其中：

b）颗粒中的传热

通过传导发生颗粒的加热或冷却。

以下瞬态热传导方程用于描述颗粒中的传热笛卡尔坐标：

边界条件：

显示x方向的边界条件;可以为y和z方向写出类似的方程。

使用数值方法同时求解方程[216]至[219]。

该解决方案需要了解流体/颗粒界面处的对流传热系数（hfp）。

流体—颗粒对流传热系数

如果粒子和流体以相同的速度行进，则雷诺准数减少到零：

方程[222]给出了流体和颗粒之间的对流传热系数的最保守估计。

最近的研究测量了不同系统的hfp：

hfp的淀粉溶液在55.63和89.5W/m2℃之间。

水的hfp在64.67和107.11W/m2℃之间

用于水平管保持管壁—流体对流换热系数

刮版换热器壁—流体对流换热系数

其中Nm是增变叶片的数量

停留时间分布：

计算无菌过程停留时间分布的一些具体方法。

a）液体食品在保持管中的停留时间

对于层流条件和在圆形管道中流动的牛顿流体，速度分布是抛物线的（第2章）。

平均速度u和最大速度umax的比为：

牛顿流体湍流的速度比为：

对于具有非牛顿（假塑性）流动特性的液体，速度比是：

其中n是流动行为指数（第1章）。

图14提供了速度比和广义雷诺数的关系：

对于层流：

对于湍流：

b）液体食物在加热/冷却部分的停留时间

在计算加热和冷却段的停留时间分布时，必须考虑温度对液体粘性的影响。

这一事实使加热和冷却段的温度分布预测变得复杂。

这是FDA不允许考虑产品在加热部分累积的致死率的原因之一。

c）含有颗粒物的食物的停留时间分布

使用无菌系统的具体研究表明，在刮板式热交换器中，随着突变速度的增加，颗粒的停留时间也增加。

随着流速的增加，颗粒的平均停留时间减少。

实验证据表明颗粒停留时间取决于颗粒尺寸，流体黏度和保持管配置。