通過超高壓均化對可泵送流體滅菌和物理穩定的連續系統和方法

2023-04-24 16:39:31 2

專利名稱：通過超高壓均化對可泵送流體滅菌和物理穩定的連續系統和方法
技術領域：
本發明涉及通過超高壓均化對可泵送流體滅菌和物理穩定的連續系統和方法，應用於食品、製藥、化學和化妝品領域，和一般來說，應用於與該系統化學相容的任何可泵送產品以獲得易於無菌包裝的產品。
背景技術：
滅菌是允許破壞繁殖體和微生物孢子並延長產品在室溫下保存時間的處理方式。通常使用溫度高於100°c的熱處理。顯然，經過這樣條件下的處理，可以看到對感觀特性的影響，如果是食品，會造成營養價值的重大損失。另一方面，許多產品無法承受這些條件，物理上變得不穩定。利用這種系統滅菌的食品和其它產品在室溫下保存期限超過六個月(取決於其組成)。滅菌方法可在包裝之前或之後應用，每種情況下需要如下所述的不同技術。滅菌總是伴隨著食品穩定。在固體的情況下，必須應用添加劑來保護色澤和質地並強化口味。如果是膠態特性的液體食品，為避免相分離，會根據食品的複雜性使用機械處理如常規的均化和加入穩定劑(乳化劑、原料增稠劑、鹽沉澱防護劑等)。對於已包裝產品的滅菌，熱處理應用到整組包裝及其內容物(食品)，並根據生產需要可使用負載系統或連續系統。當需要滅菌的食品為液體並且粘度允許被泵送時，可以在包裝之前使用關聯到後續無菌包裝的滅菌系統。這種情況下，產品在具有預熱、滅菌、冷卻和無菌包裝的連續過程的封閉迴路中循環。滅菌通常在高溫即135-150°C下處理很短的時間即4-15秒。該處理通常被稱為超高溫(UHT )。上世紀60年代，UHT方法在工業水平上用於液體奶處理，由此得到的產品與利用用於為瓶裝奶滅菌的傳統滅菌器得到的產品相比性質更接近巴氏奶。從上世紀60年代至今，還開發了用於其它奶產品(濃縮奶、鮮奶油、奶昔、發酵產品、冰淇淋、甜點……)和用於湯、汁和菜泥等的UHT方法。與已包裝產品的滅菌相比，UHT方法節省時間、動力、空間和人力。如今，市場上存在兩種UHT處理方法:產品通過與加熱介質(水蒸汽)直接接觸而加熱的直接系統和熱在換熱器中通過分離表面傳輸的間接系統。在這些滅菌方法中和取決於食品類型，主要取決於具有水包油型乳液的那些(例如奶、蘸用汁、奶基或冰淇淋混合物奶昔)，需要在熱處理之前或之後引入均化過程。均化操作減小分散相中的液滴尺寸，從而使產品穩定，以防在儲藏過程中出現乳液分層現象。壓力均化器設有高壓泵，該高壓泵工作壓力為10-70MPa，和在卸料側具有均化閥。當從閥和它的支座之間泵送液體時，產生的高壓高速驅動液體。在閥端，液體移動速度突然降低，所產生的極端湍流產生高剪切速率。幹擾減小粒度的過程的其它力為氣泡(氣穴)的破裂和在液體軌跡中在閥處產生的衝擊力。在一些食品中，例如奶，有時會有產生添加物的顆粒異常分布。類似於第一閥和安裝在液體軌跡上的第二閥再一次破碎這些添加物。—方面，熱處理以並行方式對食品具有有益影響，例如使微生物滅活；但根據應用的處理方式，它產生會影響營養、感官感受和/或技術性能的不希望的化學和物理化學變化。對於最廣泛消費的滅菌食品之一例如奶、尤其是它作為飲料消費時的消費者來說，口味(香味+ 口味+稠度)是評價品質的非常重要的參數。熱處理對於奶的口味有重要影響，根據所應用的處理強度，影響程度可能更高或高低。UHT滅菌奶(135-150°C，2-20s)通過煮製香味來確識，該煮製香味主要由蛋白質變性後釋放的H2S與「焦糖」香味和與酮形成相關的其它典型香味的存在一起引起。在常規的瓶中進行滅菌處理(105-120°C，10-40分鐘)時，會有強烈的煮製出的酮和焦糖香味，後者由Maillard反應的一些產物和焦糖化作用產物的形成引起，它甚至可以偽裝成煮製香味。這些熱處理可能引起的其它物理和生物化學現象為產品在室溫下儲藏期間由於蛋白質沉澱、相分離、乳液分層(脂肪分離，即使產品之前已經均化)所造成的不穩定，這使得我們必須使用一些添加劑如乳化劑、穩定劑或PH值調節劑以使這些由熱處理引起的影響降至最低或減弱。對於不那麼複雜的食品如果汁來說，會造成維生素含量(維生素C和其它水溶性維生素)的巨大損失、原有口味和香味的明顯改變(揮發性組分損失)以及顏色的變化。超高壓均化(UHPH)技術與常規的均化基於相同的原理，只有一個大的區別是，由於閥的設計和新材料的使用，超高壓均化可以達到高於200MPa的壓力。由於UHPH處理的作用力源自動態高壓應用引起的剪切、湍流、氣穴和衝擊的合力，所以它可以與新興物理技術相關聯。然而，不能將該技術與使用高壓的其它技術如高流體靜壓處理(HHP)相混淆。與UHPH類似，該技術在破壞病原體和改變微生物方面作為常規熱處理的替代方式開發，但所述系統或工作設備以及在該技術中起作用的微生物滅活機理與將在下面詳述的UHPH完全不同。HHP設備的工作對象為事先包裝在柔性材料中並封閉以確保防水性的產品裝載(非連續過程)；該設備基本上由包含通常是水的壓力變送靜態流體的缸和壓力生成系統(低壓泵和壓力增強器)組成(這就是它被稱為流體靜壓的原因)。在該技術中，將包裝食品引入填充有壓力變送流體(通常為水)的壓力缸中，直到達到所選的壓力條件400-1000MPa;(在食品應用的工業設備中高達600MPa)，和保持所需時間。這段時間內，壓力均衡傳輸，這意味著產品經過均化處理而不考慮形狀或尺寸，同時防止處理過程中的變形。然後，缸減壓後，將缸打開以從機器中取出廣品。至於微生物滅活機理，HHP技術可以通過誘導微生物的形態、生化反應、生殖機理或細胞膜內的變化來滅活微生物。通常，孢子可耐受這些處理，除非所述處理與高溫聯合應用。迄今所開發的UHPH設備能夠在高達400MPa的壓力下在連續過程中加工流體或可泵送食品體系。截至目前，在化學和製藥工業、特別是食品和生物工藝學中已經應用了不同的高壓均化設備，以乳化、擴散、混合和加工產品。在超均化器中，均化閥由可承受高達400MPa的壓力(可能發展為更高的壓力)和超過100°C的溫度的材料(如陶瓷)製造。另外，閥的幾何結構與常規均化器中使用的經典APV-Gaulin 閥不同。該技術對包括微生物的分散顆粒產生破壞。顆粒可以具有各種屬性和常見於膠態食品如奶、蔬菜奶昔、混濁型果汁等。UHPH期間微生物分解(微生物滅活的主要機理)所意味的可能物理過程中，我們可以發現:突然的壓力降低、衝擊力、切割和扭轉、湍流和氣穴。產品通過閥之後的溫度升高有利於微生物滅活(包括孢子)，因為這是對均化器閥處產生的物理力的附加影響。儘管可以將UHPH視為熱處理的替代方式，但UHPH過程中產品溫度顯著升高是因為:(1)強化器內和閥前端管內產生的壓力升高，它會壓縮流體，和(2)流體通過高壓閥時經受的力和動能轉化為熱能。均化階段之前的壓力升高和由流體高速引起的摩擦使產品溫度每IOMPa提高約
2-2.50C (150MPa的均化循環內溫度升高20_50°C )。但這種在極短時間內(〈0.5s)施加的熱效應可以任選通過引入冷卻設備消除或降到最低，所述冷卻設備在產品壓力下降後以迅速有效的方式控制溫度。同樣地，如果將產品暴露於40-90°C的溫度下，可以促進和最大化由均化循環引起的溫度升高，在第一均化階段之後瞬間得到均勻的滅菌溫度(高達150。。)。至於UHPH技術在食品流體中的應用，有觀點認為該處理可以對幾種產品如奶、蔬菜奶昔、蛋、果汁等進行巴氏滅菌(Donsi, F., Ferrari, G., &Maresca, P.2009.High-Pressure homogenization for Food Sanitization.Chapterl9, pages309_335.21n:Global Issues in Food Science and Technology.Ed.Barbosa-Canovas, G.etal.Academic Press.Burlington, MA, USA.)。但使用的設備和方法不足以實現對被研究產品的滅菌。例如，Puig等人(2008)研究了 UHPH處理(200MPa，入口溫度為6_8°C )對葡萄汁的微生物學和物理化學性質的影響，得到產品中殘餘的微生物，但具有極好的感觀特性。Donsi 等人(High-Pressure Homogenisation for Food Sanitisation.Proceedings ofthel3th World Congress of Food Science and Technology』Food is Life' , Nantes, 2006年 9 月 17-21 日，1851-1862，do1: 10.1051/IUFoST: 20060497)研究了在 250MPa 下不同的UHPH循環對橙汁、蘋果汁和菠蘿汁的影響，評估了這些被處理產品的微生物滅活和品質損失。對於獲得經巴氏滅菌的果汁，因此延長其保存期限和在4°C下冷藏產品28天而保持其感觀特性來說，UHPH是有效的處理。其它研究者建議加入抗微生物組分以促進由UHPH處理製造的微生物滅活。Pathanibul 等人以這種方式(2009.1nactivation of Escherichia coli and Listeriainnocua in apple and carrot juices using high pressure homogenization andnisin.1nternational Journal of Food Microbiology 129，316-320.)研究了向接種了大腸桿菌(Escherichia coli)或無害李斯特氏菌(Listeria innocua)( 71og ufc/ml)的蘋果汁和胡蘿蔔汁中加入乳酸鏈球菌肽(Ο-ΙΟΠ/ml)並用UHPH處理(0_350MPa)，觀察到微生物明顯減少( 51og ufc/ml)但並沒有完全消滅。超均化器的問題在於它們不能靠自身保證食品的滅菌和後續的包裝在無菌條件下進行。也就是說，需要將一系列設備組合為「系統」，該系統允許滅菌(包括抵抗孢子的破壞)、在無添加劑或嚴格控制添加劑濃度的條件下穩定、以及包裝在無菌條件下進行。

發明內容
這裡所述的系統和方法允許:(I)對不同性質的可泵送(即使具有熱敏性)食品和產品進行處理和保存，在處理結束時實現產品商業無菌，(2)不使用添加劑(或將添加劑濃度降至最低)實現產品穩定，(3)避免沉澱，將例如變性和蛋白質添加降至最低，(4)由於增強的均化器效果而避免相分離，和(5)由於將熱效應最小化，保持被處理食品的原始色澤、口味和香味，這與均化器效果一起實現產品滅菌、保證產品的感觀和營養特性並解決傳統滅菌和UHT當下存在的問題。通過引入冷卻設備將通過超均化器時食品流體上產生的熱效應降至最低，所述冷卻設備在壓力降低後迅速有效地調整食品流體的溫度。本文上下文中所用的術語「商業無菌」是指在處理應用期間所達到的條件生產的產品不含會對公共健康具有重大影響的活性微生物形態，和不含對公共健康沒有重大影響但會在正常儲藏和分配條件下在食品中自我繁殖的微生物形態。另一方面，可以理解的是，食品製備和調整在衛生條件下完成，和這些普通食品不含過量的微生物。商業無菌的一個重要方面是，在最終包裝和滅菌的產品中可以有少量存活的微生物，但當產品在合理長的時間內保存時，微生物不會生長，食品將保持安全和可食用。根據第一方面，提供了通過超高壓均化(UHPH)對可泵送食品或其它自然流體滅菌和穩定的連續系統，該流體與構成該系統的材料(主要為不鏽鋼)相容。該系統包括下列處理設備:(I)第一換熱器，其在40-90°C的溫度Tp下對可食用或不可食用流體進行預熱，所述流體(0_39°C )來自儲槽；(2)帶有可在高壓下工作的閥的超均化器，將之前加熱到溫度Tp的流體通過該超均化器在200-600MPa的壓力Pu下引入，由此將流體溫度提高到最終值 Tu，該最終值Tu與溫度Tp和在超均化器內施加的壓力Pu成比例；
(3)至少一個第二換熱器，在該換熱器中來自超均化器的流體溫度降低到所需的冷卻溫度值 ；，該溫度值取決於最終的產品工藝，和(4)無菌槽，該槽接收溫度值Te的冷卻流體和流體由這裡泵送至(5)無菌包裝機。從超均化器閥流出後，流體溫度的最終值Tu保持0.Ι-ls。任選地並且如有需要，可以將流體保持在最終溫度Tu下超過Is的時間。在第二換熱器處，所需的流體冷卻溫度值Te取決於工藝。也就是說，對於未膠凝產品冷卻溫度值為20-25°C，和對於在包裝內膠凝的產品如乳蛋糕、布丁等產品冷卻溫度值為 55。。。根據第二方面，還提供了從連續系統通過超高壓均化對可泵送流體、食品或其它類型流體滅菌和穩定的方法，該連續系統包括:用於預熱的第一換熱器，經預熱的流體從該第一換熱器送至在200-600MPa下工作的超均化器；第二換熱器，用於冷卻通過超均化器後的流體；無菌槽，它接收冷卻的食品，和將食品由這裡泵送至無菌包裝機。基於所述連續系統，該方法創新地包括如下階段:-子系統的預滅菌，該子系統包括連接至無菌槽的超均化器，在該階段中將水引入系統，和將壓力升至300-600MPa，停止超均化器並關閉流體入口，然後加入水蒸氣直到溫度達到140°C，保持該溫度30-60min ;通過蒸氣噴射過程對無菌槽進行預滅菌，直到溫度達到140°C，保持該溫度30-60min，雙層夾套冷卻，用滅菌空氣通過過濾器(0.2-0.4 μ )保持0.4-6巴的正壓力。-一旦系統「運行」，也就是說，當系統在選定的溫度和壓力下以連續和穩定的方式用水運轉時，流體就驅動水並通過第一預熱換熱器，在40-90°C的預熱溫度Tp和200-600MPa的壓力Pu下將流體引入超均化器閥，直到達到溫度Tu，流體從閥流出後該溫度保持 0.1-1 S。-在超均化器中停留後，通過製冷換熱器將流體冷卻，其中冷卻溫度根據產品工藝調節為所需值Te。也就是說，對於未膠凝產品冷卻溫度值Te為20-25°C，和對於在包裝內膠凝的產品如乳蛋糕、布丁等產品冷卻溫度值為55°C。然後，將流體送至無菌槽，再從這裡泵送和隨後在無菌包裝機中進行包裝。該系統除了由於設計可以用水蒸氣滅菌外，還可以用傳統的中性清潔劑或與所用材料相容的酶清潔劑進行清潔。該系統同時允許對液體食品滅菌，破壞微生物生長形態和孢子，實現物理穩定(避免組分沉澱和分離如乳液分層)，通過結合生物活性組分形成納米膠囊，還可以減少蛋白質變應原性，並相應地保持自然色澤、口味(甚至有所改善)和營養價值，還具有新鮮的產品外觀。上述內容也適用於化妝品和藥物。


為更好地理解本發明，下面以非限制性實施例的方式對具體涉及本發明實施方式的附圖進行簡要說明。圖1顯示了這裡所述系統的示意圖，其中以特定順序組合了一系列設備，並具有對可泵送流體滅菌的確定條件。
實施例下面為本發明的描述性而非限制性的實施例。出於所有實施目的，將豆漿的UHPH處理作為實施例，這是因為基礎產品的製作過程與傳統過程並無區別。但仍將由IOOkg大豆製作豆漿(基礎產品)的過程描述如下:-對大豆進行清潔和水合(室溫下15h)，-壓碎(80-85°C 持續 20min)，-通過膠體磨，-過濾，和-得到豆漿的原始樣品。使用來自Majesta品種的豆種(Glicine max)通過所述過程得到的豆眾組成(平均值(%p/p) ±標準偏差)為:5.78±0.47乾物質；1.36±0.22總油脂和3.10±0.15總蛋白質。在如下最優條件下用本發明的系統和方法對原始樣品進行處理:a)對由換熱器(I和4)、超均化器、無菌槽和無菌包裝機組成的系統進行預滅菌，b)將來自儲槽(2)的豆漿通過第一換熱器(I)預熱至75°C的溫度Tp，以備其後引入超均化器(3)，c)在超均化器(3)中在300MPa的壓力Pu下對豆漿進行處理。在該壓力條件下，豆漿在0.5s內達到130-137°C的溫度Tu,d)通過換熱器⑷瞬時冷卻至低於26°C的溫度。在本實施例中使用了兩個換熱器。e)將冷卻的流體送至無菌槽(5)，以備其後在無菌包裝機進行包裝。為證明該系統和步驟取得了對豆漿進行超高壓均化處理的最優條件(設想應當商業無菌並具有良好的品質特性)，我們提供了計劃操作的細節。對由相同基礎產品通過不同條件的UHPH處理和傳統熱處理如巴氏滅菌和UHT滅菌所得到的三種獨立的產品進行比較分析。分析的參數在產品品質中最為突出。處理條件熱巴氏滅菌:95°C /30s，在18MPa下進行I階段均化。UHT 處理:142°C /6s，進行 2 階段均化(18 和 4MPa)。UHPH:如表 I 所示。表IUHPH測試條件
處理_入口 I(V)_閥 T(V)_出 口 T(°C)
3 OOMPa 55 127 26 2OOMPa 55 106 26 3OOMPa 65 130 25 2OOMPa 65 111 26 3OOMPa 75 137 25
2OOMPa_75_119_23_微生物學測試由於源自其來源和後處理的原料(大豆)特性，當前需要考慮的病菌微生物為生態學上對一些腸桿菌具有強抵抗力的那些，其中一些腸桿菌必須被認定為病菌，例如:沙門氏菌屬(Salmonella spp)；一些微球菌，如金黃色葡萄球菌(Staphylococcus aureus);酵母和真菌；以及形成孢子的微生物，其中需要強調的為蠟樣芽孢桿菌(Bacillus cereus),這是由於其病菌特徵或由於其對於產品變為枯草芽孢桿菌(B.subtilis)或腸膜芽孢桿菌(B.mesenteroides)的影響。氧化評估氫過氧化物的形成在24小時內和在4°C下儲藏15天後對新鮮樣品進行氫過氧化物測定。使用Ostdal 等人(2000).H.，Andersen, H.J.和 Nielsen, J.H.(2000).Antioxidative activityof urate in bovine milk.Journay of Agriculture and Food Chemistry48, 5588-5592中所述的方法。脂肪氧合酶(LOX)活性使用Axelrod, B.，Cheesbrough, T.M.和 Laasko, S.(1981).Lipoxygenasefrom soybean.Methods in enzimology.Ed.J.M.Lowenstein.Waltham, Massachusettspp.441-451中所述的操作方法獲得LOX提取物。使用Van der Ven, C., Matser, A.M.和 Van den Berg, R.ff.(2005).1nactivation of soybean trypsin inhibitors andlipoxygenase by high-pressure processing.Journal of Agricultural and FoodChemistry53, 1087-1092中所述的操作方法測定LOX活性。物理穩定性
通過兩種方法測定物理穩定性:-離心並測定沉澱物層的重量百分比。-在瓶中對儲藏(2、5和7天)的沉澱物層定性評估。粒度在Beckman Coulter LS 13320分析儀中通過雷射分散進行測定,該方法允許檢測直徑為0.04-2000 μ m的顆粒或液滴。胰蛋白酶抑制劑活性(TIA)使用Guerrero-Beltran, J.A., Estrada-Giron, Y., Swanson, B.和Barbasa-Canovas, G.V.(2009).Pressure and temperature combination forinactivation of soymiIk trypsin inhibitors.Food Chemistryl16,676-679 和Hamerstrand, G.E., Black, L.T.和 Glover, J.D.(1981).Trypsin-1nhibitors insoy products~Modif icat ion of the standard analytical procedure.CerealChemistry58, 42-45中所述的操作方法獲得TIA提取物和進行分析。結果表2豆漿中的微生物學重計(log UFC/ml，平均值土標準偏差)
權利要求
1.通過超高壓均化(UHPH)對可泵送流體、食品或其它類型流體滅菌和物理穩定的連續系統，特徵在於所述系統包括: 第一換熱器，其在40-90°C的溫度Tp下對來自儲槽(2)的流體進行預熱； 帶有閥的超均化器(3)，預熱到溫度Tp的流體通過所述超均化器在200-600MPa的壓力Pu下引入，由此將流體溫度提高到最終值Tu，該最終值Tu與進入閥時的溫度Tp和所施加的壓力Pu成比例； 至少一個第二換熱器(4)，在該換熱器中來自所述超均化器(3)的流體溫度調整到所需的冷卻溫度值I；； 無菌槽(5)，它接收溫度值Te的冷卻流體和流體由此由無菌空氣壓力泵送至無菌包裝機，以包裝最終產品。
2.權利要求1的滅菌和物理穩定的連續系統，特徵在於所述溫度最終值Tu保持0.1-1s0
3.權利要求1的滅菌和物理穩定的連續系統，特徵在於對於未膠凝產品，通過所述第二換熱器後所述流體冷卻溫度為20-25°C。
4.權利要求1的滅菌和物理穩定的連續系統，特徵在於對於在包裝內膠凝的產品如乳蛋糕、布丁等，通過所述第二換熱器後所述流體冷卻溫度為55°C。
5.從連續系統通過超高壓均 化對可泵送流體、食品或其它類型流體滅菌和物理穩定的方法，所述連續系統包括: 用於預熱的第一換熱器(I)，經預熱的流體從所述第一換熱器送至帶有高壓閥的超均化器(3)，其中所述流體在200-600MPa的壓力下引入； 至少一個第二製冷換熱器(4)，用於降低從所述超均化器(3)流出後的流體溫度； 無菌槽(5)，它接收冷卻的食品，和食品由此泵送至無菌包裝機， 特徵在於所述方法包括: -所述系統的預滅菌階段，所述系統包括連接至無菌槽(5)的超均化器(3)，在該階段中將水引入所述系統，將壓力升至300-600MPa，停止所述超均化器並關閉流體入口，然後加入水蒸氣直到溫度達到140°C，保持該溫度30-60min ;和通過蒸氣噴射過程對無菌槽(5)進行預滅菌，直到溫度達到140°C，保持該溫度30-60min，雙層夾套冷卻，用滅菌空氣通過過濾器保持0.4-6巴的正壓力， -一旦所述系統在選定的溫度和壓力下以連續和穩定的方式用水運行用於流體處理，和通過第一預熱換熱器(I)後，流體在40-90°C的溫度Tp和200-600MPa的壓力Pu下引入所述超均化器(3)的閥，由此所述流體達到溫度Tu，所述流體從所述閥流出後該溫度保持0.1-1s, -在超均化器(3)中停留後，通過製冷換熱器(4)將所述流體冷卻，其中冷卻溫度根據產品工藝調節為值 ；，然後將流體送至無菌槽(5)，再從所述無菌槽泵送和隨後在無菌包裝機中進行包裝。
6.權利要求5的滅菌和物理穩定的方法，特徵在於對於未膠凝產品，所述流體冷卻至溫度 Te20-25°C。
7.權利要求5的滅菌和物理穩定的方法，特徵在於對於在包裝內膠凝的產品如乳蛋糕、布丁等，所述流體冷卻至溫度Te55°C。
全文摘要
通過超高壓均化(UHPH)對可泵送流體、食品或其它類型流體滅菌和物理穩定的連續系統和方法，包括第一換熱器(1)，其在40-90℃的溫度Tp下對流體進行預熱；超均化器(3)，通過它將溫度為Tp的流體在200-600MPa的壓力Pu下引入，由此將流體溫度提高到最終值Tu；第二換熱器(4)，其中它的冷卻溫度調整為值Te；無菌槽(5)，它接收溫度為值Te的冷卻流體和從這裡由無菌空氣壓力將流體泵送至無菌包裝機，包裝最終產品。
文檔編號A61L2/07GK103118555SQ201180041240
公開日2013年5月22日 申請日期2011年7月18日 優先權日2010年7月21日
發明者B·瓜米斯洛佩茨, A·J·特魯何堯梅薩, V·菲拉加特佩雷斯, J·M·蓋貝多特雷, T·洛佩茨佩德蒙特, M·N·布法都納特 申請人:巴塞羅納自治大學