文獻綜述-李新杰

文獻綜述題目全液相CQC50-600物理滅菌機設計學生 李新杰 專業(yè)班級 機械設計制造及其自動化10-01學號 541002010122 院〔系］ 機電工程學院 指導教師（職稱） 姚建松〔副教授〕完成時間 2014年03月06日全液相CQC50-600物理滅菌機設計摘要：食品安全衛(wèi)生越來越受到重視，特別是非熱殺菌時代的到來，食品殺菌系統(tǒng)出現(xiàn)了一次新的革命。超高壓滅菌技術被譽為二十一世紀十大尖端技術之一，在很多領域都有著很大的應用潛力。尤其在食品工業(yè)中采用高壓保存食品是一種很有前途的技術，因為它在食品保鮮期的延長、較低的營養(yǎng)破壞及良好的口感特性等方面較傳統(tǒng)技術有很大改變，超高壓食品也開始步入人們?nèi)粘Ｉ钪?。本文介紹了超高壓食品滅菌技術的發(fā)展歷史、應用原理及所面臨的技術難題，同時也對超高壓食品滅菌技術和傳統(tǒng)熱殺菌從多方面進行了比較。本設計是為了研制開發(fā)一種主要用于食品生產(chǎn)的非熱殺菌系統(tǒng)，詳細闡述了本設計產(chǎn)品進料、出料系統(tǒng)設計，高壓容器的計算及高壓源的工作原理。關鍵詞：食品安全/超高壓滅菌技術/高壓容器食品的貯存和加工是食品工業(yè)發(fā)展的重要環(huán)節(jié)，也是影響食品工業(yè)發(fā)展的限制因素之一。傳統(tǒng)上食品加工滅菌保鮮有熱處理、冷凍、添加化學防腐劑等方法，但在熱處理、冷凍和添加化學防腐劑的同時，改變了食品的味道、風味和食品自身的特色.并破壞了食品中部分或大部分營養(yǎng)成分和維生素等。隨著人民生活水平的提高，食品的營養(yǎng)成分和衛(wèi)生越來越被重視，無毒害綠色天然食品成為人民渴求對象。目前國內(nèi)外在食品超高壓技術在食品常溫保鮮、高壓滅菌滅酶、新型食品的開發(fā)等方面取得了很多成果，受到廣泛的關注，并被稱為世界十大尖端科技。高壓食品加工，就是用100MPa以上的壓力，在常溫和較低溫度下(<100°C)對食進行處理，不添加任何防腐蝕等化學物質，到達滅菌保鮮效果，而食品的味道、保存期、風味和營養(yǎng)價值不受或很少受影響的一種加工方法。1超高壓食品加工技術的研究歷史超高壓技術出現(xiàn)已有近100年的歷史。在歐美的沉船打撈業(yè)者在打撈海底沉船時，發(fā)現(xiàn)沉船中的肉類等食品仍然保持當時的鮮度，這與超高壓加工技術加工食品在理論上有許多相似之處。到1899年美國化學家BertHire首次發(fā)現(xiàn)450MPa的高壓能延長牛奶的保存期，并通過大量的研究工作證明高壓對多種食品和飲料的滅菌效［1］。1914年，美國物理學蕤.飄Briagman提出了靜水壓下蛋白質變性、凝固的報告。他指出：自蛋白在500MPa作用下凝固，在700MPa作用下變成硬的凝膠狀態(tài)口⑵。1924年，Cruss提出高壓可以用于商業(yè)上果汁的加工⑶。但在以后的幾年中，由于技術上的困難，以及商業(yè)上的需求并不是很強烈，當時的研究僅限于高壓對酶和蛋白質的理論研究，隨著工業(yè)的發(fā)展和技術的提高，到八十年代初，研究又重新興起。1986年，日本京都大學林力丸教授倡導在食品方面采用非熱高壓〔100-1000Mpa〕加工方法，率先開展高壓食品試驗，1991年4月，日本開始生產(chǎn)第一號加壓食品一果醬，到1994年已經(jīng)發(fā)展到18種產(chǎn)品。當時的工作主要集中在果蔬汁飲料等產(chǎn)品，廣泛的研究了高壓條件下各種因素對食品微生物和酶的影響［4］，發(fā)現(xiàn)高壓可以滅菌和酶，在較低溫度下可以到達殺菌和滅酶的作用，高壓處理食品可在一定范圍內(nèi)滿足人民的需求。目前，日本有近100家單位從事超高壓食品加工技術的研究與開發(fā)工作，已擁有大量的食品超高壓處理實驗機和生產(chǎn)設備，從90年代初至今，已有一些高壓食品相繼問世。該項技術已被列為日本十大關鍵科技之一。美、歐等經(jīng)濟發(fā)達的國家也不甘落后，緊迫日本，對超高壓食品加工的原理、方法、技術細節(jié)和應用進行了研究，新的超高壓食品相繼問世?？梢灶A測，超高壓加工的食品將不久出現(xiàn)在人民的菜籃子中。2超高壓食品加工技術的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀自1986年日本林力丸教授發(fā)表高壓食品研究報告短短十年，高壓食品的開發(fā)已被發(fā)達國家重視。日本在高壓食品加工方面處于國際領先地位。1989年，日本農(nóng)林省組成21個財團進行商業(yè)化技術開發(fā)，并于1991年4月推出了高壓處理果醬7種，廠泛的受到消費者的歡送，但由于產(chǎn)品中殘留的酶和溶解氧的影響，產(chǎn)品的色澤受到一定的影響。1991年底，日本又推出了超高壓處理的果汁調味劑，產(chǎn)品保持果汁的天然風味，長期保質儲藏，vc及可溶性固溶物，氨基酸、溶存蛋白質與鮮果汁無差異。到1995年日本的高壓食品技術已對乳制品、雞蛋、水產(chǎn)品、高粘性食品進行了廣泛的應用實驗，利用當時的技術，已開始研究核苷酸方面的研究。目前，日本大洋漁業(yè)公司研究所，采用超高壓技術生產(chǎn)魚糕，處理后的口感、風味理想，彈性比原產(chǎn)品高出50%。一些日本學者試驗發(fā)現(xiàn)，貝類食品經(jīng)過高壓處理，也可以進行儲存。法國技術研究部也正致力于高壓食品加工的研究，組成10個研究所進行高壓結合溫度對微生物、酶、蛋白質感觀特性影響的研究。并聯(lián)合三家（Bon--Grain.BSN.PemcxtRichard）對高壓處理食品選擇最正確工藝條件（如溫度、壓力、時間）的研究。1993年底法國生產(chǎn)出高壓殺菌鵝肝小面餅，并已面向市。目前，法國的研究人員用200MPa壓力對牛腿肉進行加工試驗，制成牛排，味道和滅菌效果理想，并已開始半工業(yè)試制。美國已將超高壓食品開發(fā)列為21世紀食品加工、包裝的主要研究項目，并己進行小規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。美國FMC公司，英國凱氏食品飲料公司（Cam洳FoodDing）開始建立商業(yè)化的高壓殺菌食品的工藝。近年來高壓食品技術已引起我國食品界和眾多科研院所的關注，兵器工業(yè)52研究所、杭州商學院、華南理工大學等單位先后成立課題組從事這方面的研究［7］，并在試驗室階段取得一定成績，發(fā)表了一些有價值的論文。五二研究所從事超高壓技術研究30多年，在超高壓厚壁圓筒的材料、結構設計、自緊技術、疲勞壽命的預測與設計、密封技術等研究與開發(fā)方面取得了很多成果，在超高壓技術方面獲得了豐富的理論、設計、加工制造的經(jīng)驗［59］，并在軍工中得到了大量的推廣應用。1993年，五二研究所利用軍轉民的超高壓技術，率先從事超高壓食品加工技術的研究，先后對各種蔬菜、水果、肉類、蛋類、海產(chǎn)品、大米、果汁、粉條等進行了大量的超高壓加工研究，對加壓壓力、時間及包裝袋等進行了系統(tǒng)的研究，取得了很多滅菌、保鮮加工工藝的參數(shù)，獲得了超高壓食品加工設備的中國專利。目前，可以設計制造1升到100升的各類超高壓食品加工設備。但是我國高壓食品尚未面世，因此加快高壓食品加工技術研究，對我國參與國際競爭具有重要意義。3超高壓技術對食品的影響3.1對食品化學成分的影響高壓可以破壞鍵能較低的氫鍵等次級鍵，從而破壞蛋白質的穩(wěn)定性。食品中酶的主要組分是蛋白質，低壓下，酶的活性有所增強，當壓力大于400MPa時，酶逐漸失活；脂類耐壓能力較低，100--200MPa時，基本上變?yōu)楣腆w，解除壓力可恢復原狀;超高壓可使淀粉變性糊化為不透明粘稠狀物質，壓力到達400--500MPa時，淀粉分子長鏈被壓斷成為斷鏈淀粉［10］。而壓力對蔗糖、麥芽糖、葡萄糖以及維生素、色素及風味均無影響。3.2對微生物的殺滅效果高壓可以致死或抑制微生物的生長。經(jīng)高壓處理后的微生物細胞核被壓斷裂成為許多小片，和原生質一起變成糊狀，使得進行生理活動所需的蛋白質在高壓下變性，并阻斷其代謝途徑，改變遺傳機制。查閱資料可知，超高壓處理對微生物的殺滅效果受壓力大小及加壓時間，食物pH值，溫度的影響。其壓力范圍、加壓時間及溫度，在殺菌時起著至關重要的作用，一般起正作用，但也有副作用。因此，工作中要按照標準去操作。我國目前在這面的實驗正在研究，還沒有形成廣泛的研究體系與參數(shù)系統(tǒng)，而國外已經(jīng)形成一種標準，開始工業(yè)化生產(chǎn)了。3.3對食物物理特性、色澤的影響查閱一些國內(nèi)外的實驗結果和有關報道可知，在常溫或低溫〔一定溫度下，最高不超過70度〕下經(jīng)高壓加工的多種食品，其原有的味道及特有的風味沒有改變。米、大豆食物經(jīng)過高壓處理后重量稍有增加，而水果蔬菜類重量略有減少，但透明度增加。肉類重量基本保持不變，但顏色減弱，蘿卜和根菜類與腌制處理后基本相似，但甜味變強，酸味變?nèi)?。這些經(jīng)過超高壓處理的食品，其營養(yǎng)價值的損失不超過15%,而傳統(tǒng)高溫殺菌食品的營養(yǎng)破壞在85%左右。因此，經(jīng)高壓處理后的食品，基本上保持原有風味，特色。4超高壓食品加工技術的應用前景超高壓食品不僅保持原有食品的風味、味道、營養(yǎng)狀況，而且延長了的食品保存期，具有廣泛的發(fā)展前景。首先，根據(jù)超高壓技術對食品的影響，如高壓可以改變脂類的塑性、沸點等，可以生產(chǎn)出不同口感和感官特征的食品，如巧克力、冰淇淋等。利用高壓對淀粉的作用，可以進行大米和豆類食品的軟化加工，為快熟大米和豆類提供了一個可行的加工手段。另外，利用超高壓技術加工生產(chǎn)的保健食品比熱加工處理的保健食品營養(yǎng)成分提高30%，對于具有中國特色的中藥材、茶葉以及其他價值高、對熱敏感的食品，采用高壓處理將不會破壞原有的營養(yǎng)成分，從而保證療效和風味。超高壓處理具有低溫消毒和滅菌作用，不僅可以延長雞蛋、鮮肉、鮮魚的保存期，而且防止加熱法帶來的變色、變味以及冷藏冷凍法引起的食物組織細胞的破壞。利用超高壓解凍技術可以保持鮮肉的風味和重量，降低鮮肉水分的喪失。根據(jù)高壓冰點下降原理和壓力傳遞可瞬間完成原理，進行高壓速凍和不凍冷藏，可以為高水分食品（如水果、蔬菜、豆腐等）的速凍冷藏開創(chuàng)新的途徑。超高壓食品加工技術為食品的開發(fā)開辟了可行的加工手段，滿足人類對食品提出的自然、營養(yǎng)、安全、方便的要求。此外，高壓還可應用于食品相關的醫(yī)學、化學、物理等基礎學科的研究，有待于科研人員、食品專業(yè)人員的進一步研制開發(fā)。5超高壓食品加工技術的發(fā)展關鍵超高壓食品加工技術的關鍵是超高壓食品加工裝置。國內(nèi)外食品加工裝置.通常是由高壓容器和加減壓系統(tǒng)組成。高壓容器承受壓力高，循環(huán)載荷次數(shù)高，對簡體材料的力學性能與疲勞強度要求很高。目前高壓容器多為圓筒型。容器所用材料是高強度鋼，加工工藝較為復雜。這些都使得高壓食品加工裝置制造難度較大，價格昂貴。密封結構的設計又是高壓設計的關鍵，目前，日本三菱重工、三本水壓等廠都有自己的專利技術用于高壓容器頂、底蓋、高壓活塞等的密封，其基本結構都是采用楔型環(huán)、“0”型環(huán)等組合成自緊式密封。超高壓設備的壓力來自于高壓泵，輸出壓力一般在40（O--700MPa，經(jīng)高壓閥來完成保壓，處理結束后，開啟高壓閥實行減壓。就目前掌握的資料分析可知，超高壓設備的工作方式有兩種。一種是采用倍壓式（內(nèi)部加壓法），另一種是單腔式（外部加壓法）。其中，倍壓式本體結構大，不需要采用外加增壓器，整體性好，適用于高壓力的小型試驗裝置。單腔式本體結構小〔單指高壓倉〕，需要外加增壓器輔助增壓，相對造價低，保壓性好，適合于大中型生產(chǎn)裝置?？傊?，超高壓食品加工裝置制造難度較大，價格昂貴是制約高壓食品產(chǎn)業(yè)化的關鍵，而提高高壓裝置的利用率和生產(chǎn)效率也是降低高壓食品成本的關鍵。實驗室用的高壓設備約為10萬美元左右，有的甚至售近100萬美元，容積很小，更大容量的設備造價更高。目前，日本神戶特鋼廠已生產(chǎn)出具有撓性內(nèi)筒高壓裝置。三菱重工生產(chǎn)的可伸縮風箱室高壓裝置大大提高了生產(chǎn)效率，降低了成本。我國高壓食品裝置改計尚無完善的標準，這給高壓食品裝置的設計帶來了一定難度。但是，我們應本著結合本國實際情況，設汁經(jīng)濟的、輕便的高壓裝置，提高高壓裝置的利用率和生產(chǎn)效率。盡早實現(xiàn)高壓裝置的“定型化，標準化，產(chǎn)業(yè)化”。這樣，優(yōu)良價廉的高壓食品將走進千家萬戶。6目前尚需解決的問題在眾多食品加［和貯存的方法中，食品超高壓處理技術是一項很有發(fā)展前景的食品加工新方法，但由于其產(chǎn)生、發(fā)展時間較短，因此需要進行更加深入而廣泛的研究，目前急需解決F列問題：6.1包裝材料的制約問題食品的加工，一般是先包裝后處理。但是，超高壓食品處理工藝比較特殊，要求包裝材料具有：隨壓變形，解除壓力后可復原，熱融性和透氣性低，在工作環(huán)境中，保持自身特質，符合條件的包裝材料只有塑料、鋁箔，限制了傳統(tǒng)包裝材料普遍化、通用化。6.2無法減輕農(nóng)產(chǎn)品農(nóng)藥的殘留問題食品原料中農(nóng)藥的殘留量是食品質量的重要標準，超高壓處理技術在加工工藝中無法減輕農(nóng)藥的殘留。因此這種加工方法對原料的要求嚴格（要求使用不殘留農(nóng)藥的農(nóng)產(chǎn)品）。但是，這對廣闊農(nóng)作的生長要求太嚴格，不現(xiàn)實。管理人員，可以使用低殘留，治病無危害人類健康的農(nóng)藥。6.3超高壓加工裝置如前所述，超高壓加工裝置制造難度大，價格昂貴，制約了超高壓食品的產(chǎn)業(yè)化。另外由于反復加壓，高壓密封體容易損壞，加壓容器易發(fā)生損傷。因此，研究如何提高高壓裝置的利用率和生產(chǎn)率是擺在當前高壓食品研究人員面前的主要問題。隨著科學技術的發(fā)展，以及各方面的科技進步，使得該技術趨于成熟。目前，根據(jù)人們對食品安全的考慮，對超高壓食品殺菌設備的研究也具有可行性。本次設計，我主要對進料、出料系統(tǒng)設計，高壓源的工作原理以及高壓容器的計算等做了簡要的設計計算等。這些參數(shù)的設計，為設備提供了一種可行性的方案，用于生產(chǎn)，方便人們生活。特別地，對于高壓容器，先后從爆破計算到現(xiàn)在的材料選擇及處理，應力及疲勞分析計算等理論較傳統(tǒng)的計算有很大改良，使高壓容器的設計更合理化、精確化與實際化。我相信，我們國家的超高壓設備將會逐漸追上國外〔美國、西班牙、瑞典等〕的技術水平，更進一步發(fā)展。6.5加壓同加熱同時作用的研究加壓同加熱相處理相結合，可以在短時較低壓力下殺菌，研究加壓結合加熱處理所需的溫度和壓力工藝?？梢缘竭_在較低壓力下高壓處理食品的效果，這是食品高壓研究需進一步研究的問題。7本課題設計意義隨著科學技術的發(fā)展，食品設備日新月異。食品安全衛(wèi)生越來越受到重視。特別是非熱殺菌時代的到來，食品殺菌系統(tǒng)出現(xiàn)了一次新的革命。本畢業(yè)設計是為了研制開發(fā)一種主要用于食品生產(chǎn)的非熱殺菌系統(tǒng)一食品超高壓技術，非熱殺菌系統(tǒng)設計具有很大的實際意義。食品的超高壓處理技術是指將食品放入液體介質（通常是水）中，在100-1000MPa的壓力作用一段時間后，使食品中的酶、蛋白質、淀粉等生物高分子物質分別失去活性、變性和糊化，同時殺死以微生物為主的生物的過程。它防止了一般高溫殺菌帶來的不良變化，因此能更好地保持食品固有的色、香、味，到達延長保存期的效果。在食品工業(yè)上，高壓殺菌技術的應用就是利用這一原理，使高壓處理后的食品得以安全長期保存。超高壓滅菌技術相對于傳統(tǒng)的加熱滅菌技術有較多有利的優(yōu)勢，因此備受廣泛的重視。目前，國外超高壓滅菌已在果蔬、酸奶、果醬、乳制品、水產(chǎn)品、蛋制品等生產(chǎn)中有了一定的應用。而超高壓滅菌技術在我國仍處于起步階段，并逐步改善中。8建議8.1結合中國的飲食特色，研究和開發(fā)有中國特色的高壓食品。8.2我國應加強超高壓技術加工保健食品，調味劑以及其他商業(yè)價值高，但對熱比較敏感的食品、藥品和化裝品的研究。8.3利用超高壓技術對微生物的滅菌特點，可在醫(yī)藥、醫(yī)療領域取代傳統(tǒng)的輻射殺菌和加熱殺菌，開拓超高壓技術新的應用領域。8.4我國高壓食品研究處于起步階段，涉及領域廣，國家、地方政府應增加超高壓技術的投資，鼓勵超高壓食品加工技術領域的科研攻關。8.5開發(fā)適合予本國國情的食品超高壓裝置，使我國超高壓食品裝置盡早到達定型化、標準化、產(chǎn)業(yè)化。8.6加強國際交流合作，加強國內(nèi)從事高壓食品研究的科研院所同食品加工企業(yè)的結合力度，對加快我國高壓食品研究的產(chǎn)業(yè)化步伐，特別是對我國高壓食品技術參與國際競爭有重要的意義。參考文獻Hire.B.11.etal.Theeffectofpressureollcertainmico-organismsencounteredinthepressr-vationoffruitsandvegetablesBull[M].1914,146:l-16.W.Vaunir.AgricExp.Sta.Morgantown.楊桂馥.食品的高壓處理技術與裝置CJ].食品科學，1991(11)：ll?20.CrussWr.Co^erclalFruitandVegetable[M].ProductsNevYork：McGraw 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