在日益升級的消費浪潮中，消費者對個性化、差異化乳制品的需求不斷提高，而在發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，逐漸受到消費者的青睞和認可，成為液態食品增長的新動力、新方向。目前在發酵乳制品中添加果醬原料主要采用無菌雙線法完成，采用獨立的管式殺菌機分別處理基料及果醬原料后在線無菌混合，確保產品最佳殺菌效率；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、殺菌機流量、管徑、彎頭等均對其系統壓力產生顯著影響，同時由于不同類型的果醬其粘度存在顯著差異，在產品設計及工業化轉化過程中選擇高粘度果醬易出現因系統壓力升高，進料泵動力不足導致殺菌機斷料，而選擇低粘度果醬難以保證生產過程中顆粒的均勻性。因此，殺菌機系統壓力降與果醬物料粘度的匹配性成為影響產品上市及后續生產成本的關鍵因素。
現代殺菌機不是只針對單一品種物料進行殺菌，往往一機多用，即同一殺菌機上完成多種產品的殺菌任務，這就需要殺菌機在設計時提出一個比較復雜的殺菌工藝，兼顧多個生產品種，以滿足不同消費者對于不同口味的需求。因此，新產品上市過程中，往往需要對管式殺菌機進行改造，以滿足不同粘度果醬生產需求。為滿足高粘度酸奶在管式殺菌機內部的通過性，依據壓降計算公式，可以通過降低管路長度或降低生產流量來實現。殺菌機管路和流量的調整，會影響果醬在殺菌機內部受熱溫度和受熱時間，進而影響果醬中微生物滅活效果。因此，在對果醬管式殺菌機進行改造過程中，評估果醬受熱情況，前提是確保產品安全，降低因微生物而引發的質量風險。
本研究依據管式殺菌機結構與基礎物理學公式，構建果醬管式殺菌機系統壓降和殺菌強度計算模型。通過對9種不同類型果醬動力學粘度進行檢測，帶入模型計算理論殺菌強度與壓降。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內的實際運行壓降和殺菌強度，完成管式殺菌機適配性評估及改造。本研究為果醬與管式殺菌機的匹配性評估奠定理論基礎及科學依據。
果醬江西奕方農業科技有限公司。
Rheolab QC旋轉流變儀奧地利安東帕有限公司；果醬殺菌機。
選取不同粘度果醬使用UHT殺菌機進行殺菌，殺菌過程記錄殺菌機整機的實際運行壓力值、溫度值和受熱時間，用于模型搭建。
采用Anton Paar公司生產的Rheolab QC型旋轉流變儀通過測量旋轉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行測定，進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子，此轉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，添加至內部刻度線即可。設置預剪切1min，剪切速率設定為100s-1，每隔15s讀取一次數據，共讀取60個數據點，測定15℃升溫至90℃過程中果醬的動力粘度曲線。
果醬經過殺菌機管路后的系統壓降由三部分組成，分別為靜壓力降ΔPa，速度壓力降ΔPN和摩擦壓力降ΔPf。總壓力降ΔP=ΔPa+ΔPN+ΔPf，不同壓力降的計算方法如下：
式中：
Z1—管道始端標高，m;
Z2—終端標高，m;
u1—始端的果醬流速，m/s;
u2—終端的果醬流速，m/s;
u—果醬在管道內的平均流速，m/s;
ρ—果醬的密度，kg/m3;
λ—摩擦系數；
L—管道長度，m;
D—外管道內直徑，m;
K—管件、閥門等阻力系數。
K的取值見表1。
一般情況下摩擦系數λ的取值與雷諾數Re有關，果醬殺菌過程屬于在圓管內進行層流運動，因此λ的計算公式如下：
式中：
d—內管道內徑，mm;
μ—果醬粘度，m Pa·s。
殺菌機殺菌過程中果醬物料被連續處理，果醬在管道內經歷了升溫、恒溫和冷卻三個主要過程，所受殺菌強度可依據以下公式進行計算;
式中：
T(t）—果醬冷點的溫度，℃；
T(r）—殺菌標準溫度，℃；
Z—微生物耐熱性特征值，℃；
t—加熱時間，s。
通常將Z值默認為10℃，此時當殺菌溫度T(r）為121℃時，F值被稱為標準F值，用F0表示。而T(t）果醬冷點的溫度（℃）計算公式如下：
式中：
ti—某一段殺菌管路入口處的溫度，℃；
x1—殺菌管路入口的時間，min;
x2—殺菌管路出口的時間，min;
y1—殺菌管路入口的溫度，℃；
y2—殺菌管路出口的溫度，℃。
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點和B點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點到B點整個升溫過程累積殺菌強度。
果醬殺菌壓降和殺菌強度計算模型采用R語言（4.2.0版本）編譯，數據可視化采用R語言tidyverse包執行。
為了評估高粘度果醬在已有殺菌機內部壓降值，本研究構建了果醬管式殺菌機壓降計算模型。構建模型所用殺菌機基礎管路信息見表2。該殺菌機與純奶超高溫殺菌機結構相比較為簡單，共有5段管線，可實現果醬原料從8℃入口，到115℃殺菌，之后降低至25℃出口。此外，與純牛奶殺菌機區別之處在于，所有管線結構均為套管，即外管內部僅有一根內管，這樣的結構主要是為了滿足顆粒型果醬在殺菌機內部的通過性。
本研究采用芒果燕麥果醬構建壓降計算模型，首先對芒果燕麥果醬的動力粘度進行檢測（圖2a）。15℃條件下芒果燕麥果醬粘度8000m Pa·s，當果醬溫度上升至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。結合管式殺菌機結構，計算得到殺菌機每段管線壓降，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內部合計壓降為58bar。為驗證模型計算結果準確性，本研究對芒果燕麥果醬進行生產線測試，芒果燕麥果醬在管式殺菌機內部壓力運行曲線見圖2c。由圖可知，殺菌機管路內部PT10和PT31壓力表合計壓力達到59bar。理論計算壓力與實際運行過程壓力分別為58bar和59bar（圖2d），計算誤差為1.72%。綜上，本研究構建的壓降計算模型，可以準確地預測果醬在管式殺菌機內部的壓降。
Fig.2 Construction and validation of pressure drop model for jam tubular sterilizer
a.芒果燕麥果醬動力粘度曲線；b.芒果燕麥在果醬管式殺菌機實際運行及理論；c.計算壓降；d.理論與實際壓降對比
(a)Mango oat jam dynamic viscosity curve.(b)Pressure drop calculation for mango oat jam in the actual operation of the tubular sterilization machine and theoretical calculation.(c)Calculate pressure drop.(d)Comparison of the oretical and actual pressure drops.
用于水果原料加工的果醬生產技術可能是影響最終產品質量的關鍵控制點。食品安全的概念是如果按照適當的用途制備和/或食用，食品不會對消費者造成傷害。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值提供了微生物細胞或孢子耐熱性的定量指標。根據參考溫度下D值的倍數量化提供給食品原料殺菌強度的過程，也稱為參考條件下的F值。我們計算了果醬管式殺菌機傳熱面積，該殺菌機傳熱面積達到29m2（圖3b）。為評估殺菌機在處理果醬過程中微生物安全性，本研究采用前文構建的殺菌強度計算模型，計算果醬管式殺菌機的殺菌強度（圖3a，圖3c），由圖可知當殺菌溫度為107℃，參考溫度為90℃，殺菌機流量為2m3/h時，整機殺菌強度為170min。
Fig.3 Curves of temperature
（a）傳熱面積（b）和殺菌強度（c）曲線
(a) Heat transfer area (b)and sterilization intensity (c)Variations over time during the operation of jam tubular sterilization machine
模型的驗證通常被定義為從預期用途的角度確定模型在多大程度上是真實數據的準確表示過程。為評估壓降和殺菌強度理論計算模型準確性，本研究檢測了9種常溫液態奶制品中添加的果醬粘度（圖4a，圖4b）。這些果醬根據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性系數范圍為：-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性系數較低，原因是粘度檢測過程中不規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致殺菌過程中壓降差異（圖4c）。可以看到，9種果醬在殺菌機內部相同時間流動過程中，理論壓降范圍為8.0bar～83.0bar。考慮到殺菌機管路設計承壓最高不超過50bar，因此需要降低果醬的粘度，或對果醬管式殺菌機進行改造。
Fig.4 Dynamic viscosity and theoretical pressure drop values of 9types of jam.
（a)9種果醬外觀；（b)9種果醬動力粘度；（c)9種果醬理論運行壓降
(a)Appearance of 9 types of jam;(b)Dynamic viscosity of 9 types of jam;(c)Theoretical operating pressure drop of 9 types of jam
本研究對果醬管式殺菌機進行改造，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來說，靜壓力降ΔPa主要來自殺菌機進出口高度差，殺菌機進出口是為了滿足上下游設備連接性，不具有改造可行性。由于殺菌機進出口流速基本一致，速度壓力降ΔPN在實際計算中可以忽略。因此主要可通過調整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進行了改造（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度不低于改造前，將生產流量由原來的2t/h調整為1.5t/h，改造前后殺菌強度可見（圖5a，圖5b）。模型構建后的驗證是至關重要的，因為工業生產中依賴模型的計算結果來證明決策的合理性。本研究以黃桃燕麥果醬為原料，進行試產評估，以驗證模型的準確性。我們監控了黃桃燕麥果醬在改造前后的管式殺菌機內部實際運行過程中的壓降（圖5c，圖5d），結果顯示：改造前系統總壓降由67bar下降至48bar，可以滿足系統管路承壓需求，實現連續化生產。
綜上，本研究提出的果醬管式殺菌機殺菌強度和壓降理論計算模型，可以準確地評估果醬理論壓降和受熱強度，可用于指導管式殺菌機設備改造和生產可行性分析。
圖5 a管式殺菌機改造前處理流量為2.0t/h時的殺菌強度。b管式殺菌機改造后處理流量為1.5t/h時的殺菌強度。c和d分別為黃桃燕麥果醬改造前和改造后在果醬殺菌機系統內部實際運行過程中的壓降。
Fig.5 (a) Sterilization intensity of the tubular sterilization machine before modification with a processing flow rate of 2.0t/h.(b) Sterilization intensity of the tubular sterilization machine after modification with a processing flow rate of 1.5t/h.(c) Pressure drop of peach oat jam inside the jam sterilization machine system during actual operation before modification.(d) Pressure drop of peach oat jam inside the jam sterilization machine system during actual operation after modification.
本研究強調了果醬殺菌過程殺菌強度和壓降對于常溫液態奶制品生產的重要性，并基于果醬管式殺菌機設備結構和基礎物理學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改造前后設備總壓降和整機殺菌強度評估方法。基于這些計算模型和方法，生產企業無需進行額外的經濟投入，即可完成果醬管式殺菌機設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行了實踐和驗證。這些結論對深入了解管式殺菌機結構，實現果醬無菌化加工具有重要意義。
