無菌食品加工裝置和方法

2023-05-24 03:07:56

專利名稱:無菌食品加工裝置和方法
本發明概括地涉及一種有關可用泵輸送的，特別是低酸度的非均相食品的無菌加工過程的重大改進方法與設備。更具體地說，發明涉及這樣的一種方法與裝置，該裝置是由一臺使產物流率恆定，置於換熱器與持料管下遊的計量設備和一臺放在流程的最上遊使食品物料流基本上保持恆壓的裝置共同組成的。
工業規模的傳統的罐頭食品加工方法及裝罐頭方法一般說來是先將所選定的食品原料裝入罐頭，隨後將罐頭密封，並進而在升溫與加壓的條件下將該罐頭食品用蒸汽加熱相當一段時間。這樣的加工方法已經用了許多許多年了，然而卻仍然存在許多重大的困難。例如，這種罐頭加工過程的成本相當可觀，這不僅因為這種加工過程能量消耗大，而且為了在適於裝填罐頭食品的季節期內裝填食品罐頭，必須事先貯存大量各種各樣的昂貴的罐頭。此外，為蒸煮罐頭食品所需要的相當苛刻的蒸煮條件不可避免地導致食品的感官特性(如味道，顏色以及顆粒均勻性)發生衰變。
因此，食品加工商為了在降低成本的同時，改進食品的感官特性與營養價值，在過去的若干年內已經研究出一些改進食品加工的方法。在這些方法中有一項建議就是要採用所謂的無菌加工與包裝。概括地講，為了對食品進行無菌化處理，加工過程需包括包裝之前為了滅菌的連續蒸煮過程，以及隨後在無菌的條件下包裝。無菌加工食品的技術最初是在本世紀40年代開發的。但只是在最近幾年中，食品加工商們才開始廣泛應用這一技術。與習慣所採用的罐頭食品加工工藝相比較，無菌食品加工的優點是多方面的，例如可以降低能耗及包裝成本，並具有較高的加工速率。此外，有的時候這種方法還具有改進食品感官特性的作用。
目前，食品的無菌加工主要集中在像布丁與果汁這樣一類的均相或流態的產品方面。此外，這類產品中的許多種都具有較強的酸性(PH＜4.6)，其中所需要的蒸煮溫度與蒸煮時間都比較低和少。並且在這種情況下，食品由於加工處理得不合適而產生的對人身體的毒害作用可以忽略。
這種均相的高酸度食品的無菌加工過程一般包括使用一個加壓與無菌化的消毒系統。該系統的前頭有一臺將食品原料計量並連續地運往加工段的容積式泵。加工工段包括一臺或多臺細長的熱交換器以及一段用以中間存留食品的管道，最後還有一系列用以冷卻食品的冷卻換熱器。在加工段的下遊一般還配備有氣動的反壓閥以產生一定的節流作用並維持系統的壓力。
有關食品無菌加工的管理條例中稱食品物料流的無菌化(消毒)過程應當決定於它們在持料管內的時間-溫度條件。因此，食物在位於持料管前面的換熱器中被加熱到滅菌溫度所需要的時間，以及它們在任何其它管道內所停留的時間就不能計算在內。因此，為了建立一個安全的，在工業上可行的加工過程，保證食品在持料管內的時間-溫度關係的準確性是極其重要的。
目前有關的管理條例還規定計量泵必須安放在持料管的上遊，而且必須使物料能在所需要的流率下流動。因此，前面的計量系統在物料進入打頭的換熱器以及持料管之前，在加工系統的上遊端就得計量下食品物料的流率(即，不論其後壓力怎麼變化，都應能有恆定的產品流率)。
上述的系統對於酸性較強的均相食品物料能給出滿意的結果，但是，這種系統對於如湯料、燉菜(stews)，以及辣味食品(chillies)這樣一類酸性比較弱的非均相食品則是極其無效的。例如，系統中反壓閥的存在對於非均相食品說來是不能允許的。因為食品物料在通過這種閥的時候會產生相當大的阻塞作用，從而使得通過該閥的食物顆粒不可避免地被搗碎降質，有時甚至被搗成糊狀。於是，有人建議採用其它類型的裝置來加工處理弱酸性非均相的食物。其中的一個建議就是採用一旋轉式的容積式泵代替位於加工段下遊的反壓閥。由於下遊泵的操作速度比前置的計量泵低，因此形成了系統壓力。另一個想法就是要採用一個無菌加壓緩衝罐來達到產生系統壓力的目的。這二種方法雖然從理論上講能實現對低酸度、非均相食品進行無菌加工，但是都具有極為嚴重的缺陷。事實上，所存在的這些嚴重缺陷是如此的難以克服，以致於到目前為止，在工業上還未見到有一套採用這類想法的對低酸度、非均相食物進行無菌加工的裝置。即便為了達到工業化的目的，人們對於開發這類工藝與設備有著極其廣泛的興趣，情況也還是這樣。
上述方法的主要問題是在蒸煮與持料段之前，即在裝置的上遊端就測量食品物料流量的問題。這種計量方法也即不論壓力條件如何都必須產生恆定的物料流率。在任何工業化的生產過程中，為使食品物料的流率保持恆定，正常的物料產量的改變都將導致計量泵增加或降低相同的壓力;在這種情況下，壓力變化是不可避免的。值得注意的是，由於這種壓力的脈動可能導致蒸煮換熱器中蒸汽發生局部閃蒸。所以，一般的習慣做法，是把系統壓力維持在稍高於防止蒸汽在所取的蒸煮溫度下閃蒸所要求的壓力下(例如比防止閃蒸所需要的壓力高出10～15psi)。但是如果系統壓力波動太大，正如將計量泵裝在上遊的這一情況一樣，這是可能發生的，即裝置的某些局部地區也可能發生不足以阻止產生閃蒸的壓力狀態。結果，蒸汽閃蒸出來了，而食物則在蒸煮裝置內「開鍋」了。這不僅會破壞食品物料通過裝置時所需要的平穩而又連續的流動，而且更為嚴重的是其後果還可能導致顆粒物料破碎降質。更為重要的是這種閃蒸還會改變對於無菌蒸煮所必須的重要的時間-溫度關係，甚至還可能造成非滅菌的產品。
對這一問題的一個可能的解決辦法是簡單地將系統壓力提高到一個足以補償在任何典型的操作中所可能遇到的正常壓力脈動的高壓力下操作。然而這項建議又可能造成另一個難題由於在通常的裝置中採用這麼高的壓力往往會導致較苛刻的加工條件，並造成食物分解降質。因此食品加工商如在蒸煮及持料管裝置的上遊使用恆定流率的計量泵時，就使自己陷入了進退維谷的境地。即一方面，如果把系統壓力僅僅保持在稍高於閃蒸壓力的情況下，由於上遊計量泵所帶來的不可避免的壓力脈動將可能導致局部閃蒸的發生。而另一方面，為了避免發生任何的局部閃蒸而使用相對較高的壓力，但這一事實本身就可能造成食物的降質。
本發明克服了上述的這些困難，並提供了一種對可用泵輸送的，特別是像湯類、燉菜以及辣味食品(Chillies)一類的低酸度非均相的食品，進行無菌加工的有重大改進的方法與裝置。概括地說，本發明提供了一套可在加壓條件下連續進行無菌加工與蒸煮一種可用泵輸送的食品物料的裝置。本裝置包括一套以基本上恆定的壓力輸送連續物料流的正壓泵，以及與此恆壓輸送設備相配合的連續加工單元。該加工單元內包含諸如一臺用以把加壓的連續物料流加熱到所需要的加工溫度的間接換熱器，以及置於此加熱設備下遊的用以將已經加壓與加熱的物料流保持一段時間的設備，該設備的作用是可以確保食品物料實現無菌蒸煮。最後，為了使離開裝置的食品物料能保持基本上恆定的流率，整套裝置在持料設備的下遊設置了一臺與加工單元協同操作的計量設備。
在特別滿意的一批結構中，最好選用一臺往復式活塞泵作為恆壓泵送的設備。使用美國堪薩斯城(Kansas)奧蘭-帕克(Overland Park)的Marlen研究公司所生產的雙作用活塞泵已經取得了特別好的結果。這種泵可以在一恆定的壓力模式下或是恆定流率的模式下操作。但是按照本發明的需要，該泵送裝置需在恆定壓力的模式下操作。Marlen式泵送裝置已在美國專利4，097，962中作了描述，在本發明申請中我們專門引用了這一專利僅作為參考資料。
為了使連續的加壓食品物料流同一熱介質(如間壁的水蒸汽)進行間接熱交換，從而將食品物料流加熱到所需要的蒸煮溫度，加熱食品物料的設備最好包括一臺或多臺間接加熱換熱器。在此，可以採用的間接加熱換熱器可以是各式各樣的，然而對於許多具體的加工條件，業經發現搔扳式換熱器(scraped surface heat exchanger)是最最合適的。
作為構成整個食品加工單元一部分的持料設備採用的是習慣上所用的結構，它基本上是由一根有一定尺寸的細長持料管道所構成，它的作用是使在其中連續移動的物料流保持一段時間，這段時間足以保證食品物料完成消耗及無菌加工。
除了上述的這些加工過程之外，典型的加工單元還應當包括在食品物料通過持料管之後，使之冷卻的冷卻設備。這裡再次優先採用間接冷卻換熱器。在這種情況下，冷卻介質往往是採用冷卻水。
如前所述，下遊計量設備最好採用旋轉式泵，例如由Abex公司的Waukesha鑄造分部所提供的那些設備。這種計量設備的功能在於可以使在持料段的下遊已經進行無菌蒸煮的食品物料流得以保持恆定的流率。這種下遊計量設備與上遊恆壓泵輸送設備結合在一起即是本發明能取得優異成果的主要原因。
圖1是本發明的無菌加工裝置的簡略流程圖。
圖2是與圖1相類似的簡略流程，但是其中的無菌加工裝置系採用二個相互並聯的加工系統。
圖3則是所優先採用的往復式活塞泵輸送裝置的局部剖面圖，在實際食品加工之前對系統進行熱水消毒也是採用這一裝置。
現在反回來仔細看看這些圖，尤其是圖1。無菌加工裝置10大致包括如下一些設備和系統，即用以產生基本上恆定壓力的連續食品物料流的上遊恆壓泵12;連續加工單元14;下遊計量設備16;以及最後以數字18示意表示的熱水消毒系統。說得再清楚點，在圖1中所示的泵12相當於美國專利號4，097，962中所描述的那種泵。這種泵(見圖3)包括一個料室20，在料室裡面有一對可以往復的，並排放置的管狀套筒22與24。二個靠流體動力操作的活塞26與28分別置於相應的管狀套筒22與24中。在料室20的出口端有一對送料管30與32，它們分別用管道與管狀套筒22及24相通。送料管30與32的出口端與一換向閥34相接。在換向閥後面則是將物料從泵送裝置輸出的出口管36。在圖3中所示的裝置還包括一對氣動操作的水閥門38與40，這二閥門與相應的送料管30與32在操作上是互相銜接的;有關這二閥門(38與40)的重要作用，將在以後解釋。
加工單元14包括一臺或多臺按常規設計的搔扳式換熱器42，換熱器上有一個物料入口管44以及一個物料出口管46。此外，換熱器上設有外夾套，外夾套的作用系通以蒸汽或其它換熱介質從而加熱通過換熱器內部的物料。當然這些搔扳式換熱器都是通用型的，用戶可以通過各種各樣的渠道買到。
加工單元14還包括一根細長的保溫持料管48，該持料管的尺寸應當大到足以使食品物料在其中停留一定時間以確保實現無菌蒸煮。與前面所提到的換熱器一樣，也是完全常規的，並且對於本技術領域：
的普通技術人員來說是非常熟悉的。
在加工單元14中於持料管48的下遊安置了冷卻設備。這種冷卻設備包括一系列搔扳式換熱器50與52。正如圖中所示，換熱器是彼此串聯相接。為了有效地冷卻通過換熱器中的食品物料，冷卻熱交換器需包括一讓冷卻介質(如冷卻水)通過外夾套的結構(圖中沒有表示這部分結構)。
如前所述，泵12的設計是使它能在基本上恆定的壓力下將連續的物料流傳送到加工單元14。為此，在泵12的出口管36與蒸煮換熱器42的入口管44之間連以適當的管道54。類似地，管道56用以連接換熱器42的出口管與持料管48的入口管。除此而外，還需要有一條管道用來將持料管48的出口端與冷卻熱交換器50及52連接起來。最後，為了將已經冷卻並經無菌加工好的食品物料傳送到計量泵16，在換熱器50與52的出口接有出口管道58。
如圖上所示，泵16與管道58相連，在泵16之後則通過管道60連接到一個三通閥62。如圖1中所示，閥門62可以打開以傳送加工好的食品物料到常規的無菌包裝機。由於泵16的運行是在於計量食品物料流量，也就是確保物料的流率能夠保持基本上不變，這樣，食物流就以持續不變的流率通過管道60及閥門62傳送到包裝機。
圖1中所示的裝置還包括水的消毒系統18。為了達到這一目的，在閥門62與前面所述的水閥門38及40之間連接有管道64。(這些水閥門與泵12相連)。管道64又連通一臺間接冷卻換熱器66，其後還連有三通閥68以及止回閥70。最後，水源72與閥68相連，在閥68和止回閥70之間有一緩衝罐(恆壓罐)74在運轉時與管道64相連。
在裝置10運轉時，通過起用系統18實現對裝置的消毒作用。在這一操作模式(即用水進行系統消毒的操作模式)下，泵12用作為一臺給水泵。為此，需將套筒22與24(見圖3)延長，並固定在料室20內。將閥門68打開以使水能由水源72流入泵12。打開閥門62以接通管道60與64。在用水進行消毒期間，閥門38和40隨活塞26與28的往返動作依次打開和關閉，首先把水抽進管道套筒22與24中，隨後，由於活塞的不停運動，水又被排經管道30與32，這樣水就可充分地注入消毒系統。
泵送的水在循環期間在換熱器42內被加熱，並通過持料管48以及冷卻熱交換器50與52。水進而通過管道58及泵16，最後通入換熱器66。在該換熱器內，循環的消毒水同冷卻介質(如冷卻水)進行間接熱交換而受到冷卻。在某些情況下，換熱器66也可以不要。
在完成了消毒工序之後，(這一工序一般可用290°F的熱水流通30分鐘)，系統已經得到預熱，並且已是無菌的了。這就是說，一切已準備就緒，可以通入食品物料了。這時應當將水系統關掉，並將物料直接送到泵12。在這一操作模式下，管狀套筒22與24，按一定的時間關係在料室20內往返運動以便依次地將食品物料充填進套筒中。在完成衝填之後，活塞26與28的運動就將物料排經輸送管30、32及閥門34送到加工單元14。前面已提到，在用泵輸送食品物料期間，泵12是處於恆壓操作的模式下，所以能產生基本上恆定壓力的連續物料流。實際上，藉助於所優先選用的Marlen泵，操作的壓力條件可以維持在與選定的額定壓力相差不到大約±5psi的水平上。通常的情況下，以採用50～150psi左右的系統壓力為最理想。
在任何情況下，恆定壓力的物料流總是首先通過加熱用的換熱器42，在此將物料加熱到所要求的溫度。在加工低酸度食品的情況下，該溫度通常取為270～300°F左右。物料在換熱器內加熱之後，通過管道56送到持料管48。持料管的尺寸系設計成能讓管內連續運動的食品物料流得以在蒸煮溫度下保持足夠的時間，從而確保實現無菌蒸煮。概括地講，這個時間範圍大約是10秒鐘到20分鐘左右。對於大多數的食品加工情況，這一段持料時間大約為30秒鐘到1.5分鐘左右。
已經蒸煮好的食品在離開持料管48以後，通入冷卻換熱器50與52。在此把食品物料冷卻到滿足包裝所需要的溫度，這一溫度一般取為70～80°F。經冷卻以後的物料然後通過管道58進入計量泵16，該計量泵確保經無菌蒸煮好的食物能以恆定的流率流出加工單元14。隨後，這些食物流經閥門62(在此操作情況下該閥門是打開的)排到無菌包裝機(包裝機在圖中沒有表示出來)。
圖2表示本發明的另一種具體的實施方案，其中採用一臺單一的泵12來為二組互相併聯的加工單元分支14a與14b供料。由於這二個獨立的加工單元段14a及14b大體上與在圖1中所示的裝置14是一致的，在這裡除了加以「a」和「b」的符號之外，都是採用類似的參考數碼。在所有的情況下，類似數字所標註的設備與圖1中相應數字所表示的設備相同。在任何情況下，都將可以看到，單一的泵12系通過管道54，54a及54b與並聯的加工單元段14a及14b相連。於是，相應的物料分支流，就像圖1所描述過的情況那樣，逐一通過加工單元分支段14a及14b進行蒸煮、保溫持料及冷卻。二個加工單元的每一個後面都各接每一臺旋轉計量泵16a或16b。
這些泵的作用與圖1中所描述的相應的泵16相同。但是這裡只用一臺電動機76來同時驅動這二臺泵16a與16b。在這種狀況下，二臺泵實際上在相同的轉速下運轉，從而確保分別來自加工單元分支段14a與14b的二股物料流的流率基本上相同。此外，由於只採用了一臺泵12，因此在二個加工單元分支段14a與14b內的壓力條件基本上是相同的。來自泵16a與16b的物料流通過管道60a及60b送到一根公用的輸送管78。閥62接至管道78中。由相互並聯的加工單元分支段14a與14b傳送出來的相應物料流經閥門62送到無菌包裝機。
此外還可以看到，圖2的裝置中也包括一個水消毒系統18。與前面所述的情況類似，並參照圖1，相同的部件是編以相同的號碼。圖2裝置中的水系統的操作方法與圖1裝置中的水系統的操作方法也是相同的。
根據採用本發明提供的裝置所進行的實際試驗已經一致表明，將本發明用於加工諸如 菜(Stews)以及其它含有顆粒的食品這樣一類低酸度非均相物料時可以取得始終如一的好結果。在一組這樣的試驗中，採用帶有料室以及流體(水力)驅動的Marlen 700型雙作用活塞泵作為上遊的恆壓泵，而用Alfa-Laval搔板式間接換熱的換熱器作為蒸煮(以蒸汽作為加熱介質)及冷卻(以水作為冷卻介質)用的換熱器。Waukesha 133A或25RF(不帶料室)的容積式泵用作計量設備。取持料管的直徑為2英寸，其總長度為9.2英尺，總容量為0.174立方英尺，並向上傾斜放置。所試驗的食品包括 牛肉，雞肉麵，海味食品，以及糖醋豬肉等。幾種在試驗期間生產的食品都證明具有與通常生產的罐頭食品有相同或是比它們更好的質量。特別是在用食品的味道、食品本身的結構特徵、顆粒均勻性以及構成的完整性等作為衡量質量好壞的標準時，這一結論就尤為明顯。而用本發明所生產的食品的顆粒色澤一般總要優於通常用蒸煮方法得到的食品，而且其作料與囟汁的色澤淡得多。在試驗中所採用的蒸煮溫度為290°F，而蒸煮壓力則保持在大約100～120psig左右。物料在持料管中的停留時間為1分鐘。
儘管本發明優先採用的計量裝置是一臺旋轉式泵，但本發明並不受此一限制。在多種替代的方式中，可以採用一種容積式的充填設備來代替旋轉式以確保提供恆定的食品物料流率。
權利要求
1.一套對可泵送的食品物料在加壓下進行連續和無菌加工與蒸煮的裝置，該裝置包括恆壓泵裝置，該裝置可以保證即便在該裝置的下遊加工條件發生變化時(這種條件的變化有可能導致加工的食品物料流的壓力發生變化)，仍能保持在基本上恆定壓力的條件下連續輸送所述的加工食品物料流；一套在操作上與上述的恆壓輸送裝置相配合的連續加工單元，該加工單元包括一個將上述已加壓的連續食品物料流加熱到所需要的加工(蒸煮)溫度的加熱裝置，以及在該加熱裝置下遊設置的一段持料管段，在此將所述的經加壓與加熱的食品物料流保持一段時間，以確保在此完成對食品物料流的無菌加工，以及置於上述持料管裝置下遊的，與上述加工單元結合起來操作的計量設備，該計量設備可使離開本裝置的食品物料的流率基本上保持恆定。
2.根據權項1所述的裝置，其中，所說的恆壓泵系由一臺恆壓的往復式活塞泵構成。
3.根據權項1所述的裝置，其中，所說的加熱裝置系由一臺間接換熱的換熱器所構成，該換熱器的作用是讓前面所提到的加壓的連續食品物料流與一種流經其內的加熱介質進行間接熱交換，從而使所述的食品物料流加熱到所相應的溫度。
4.根據權項3所述的裝置，其中，所說的換熱器由搔板式間接換熱的換熱器構成。
5.根據權項1所述的裝置，其中，所說的持料管段是一根與上述的加熱裝置相連的細長持料管，用以接收來自加熱裝置的已經加熱和加壓的食品物料流。
6.根據權項1所述的裝置，其中，所說的加工單元包括一套在持料管段下遊設置的，用以冷卻所述連續食品物料流的冷卻裝置。
7.根據權項6所述的裝置，其中，所說的冷卻裝置包括一臺或多臺間接換熱的換熱器。
8.根據權項1所述的裝置，其中，所說的計量設備由旋轉泵計量設備構成。
9.根據權項1所述的裝置，其中，所說的裝置中還包括一套可與所述的泵送裝置及加工單元配合操作的熱水消毒系統，使消毒用水有選擇地通過所述加工單元。
10.根據權項1所述的裝置，其中，所說的加工單元由多支相互並聯的，並可與所述的泵送裝置配合操作的加工單元分支所構成。每一支包括一套用以把前述的食品物料的一股加壓的連續的分支流加熱到所需要的蒸煮溫度的加熱裝置，以及在該加熱裝置下遊用以把所述的已經加壓和加熱的分支流保持一段時間以確保該分支流物料的無菌蒸煮的裝置。
11.一套連續又可無菌地加工和蒸煮可泵送食品物料的方法，其中包括下列步驟將所述的物料流通過一個恆定壓力的泵送裝置，儘管上述的恆壓泵送裝置下遊的加工條件可能會發生變化，從而有可能導致上述物料流的壓力發生變化，但仍能產生壓力基本上恆定的該食品物料流;將所述加壓的連續食品物料流加熱到所需要的加工溫度;在一個持料區將所述的已經加壓並加熱了的物料流保持一段時間以確保對該食品物料流實現無菌蒸煮;以及將上述的已經蒸煮好的食品物料流通過計量設備，測量出上述物料流的流量，並在持料區的下遊產生流率基本上恆定的經無菌蒸煮的食品物料流。
12.根據權項11所述的方法，其中，包括將上述的連續食品物料流加壓到大約50～150psi左右的工序。
13.根據權項11所述的方法，其中，包括將上述物料流的壓力保持在與選定的額定壓力值偏差不超過大約±5psi左右的工序。
14.根據權項11所述的方法，其中，所說的泵送裝置系由一恆定壓力的往復式泵所構成。
15.根據權項11所述的裝置，其中，包括將該加壓的連續食品物料流加熱到溫度為270～300°F左右的工序。
16.根據權項11所述的方法，其中，所說的加熱工序系將上述加壓的連續物料流通過與加熱介質進行間接熱交換來實現的。
17.根據權項11所述的方法，其中，包括將上述已經加壓並加熱的食品物料流在所述的持料區內保持一段時間的工序，所取的持料時間為10秒鐘到20分鐘左右。
專利摘要
本發明提供了有重大改進的可泵送食品的無菌加工裝置與方法，它既能給出準確而均勻的無菌蒸煮條件(時間，溫度及壓力)，同時又能保持食品的顆粒完整性。將下遊計量裝置與上遊恆壓泵結合使用就可獲得平穩且較高的系統壓力，這又促進了準確的溫度控制並消除內部對產品質量產生有害影響的局部蒸汽閃蒸。採用本發明的裝置與方法，可安全地以工業規模實現對燉菜和辣味食品之類的低酸度非均相食品物料進行無菌加工。
文檔編號A23L1/01GK85106637SQ85106637
公開日1987年2月25日 申請日期1985年8月10日
發明者詹姆斯·E·懷特, 裡維斯·F·阿利, 詹姆斯·E·安德森, 扎克·D·比德塞爾 申請人:馬蘭研究公司導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan