（化工过程机械专业论文）超高压海产品加工设备与工艺研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 超高压食品加工技术是一种新型的食品加工技术。与传统的食品加工技术相 比，有着很多的优点，比如能更好的保持食品中固有的营养品质、质构、风味、 色泽、新鲜程度等，同时，超高压食品加工还具备传统的食品加工工艺无法达到 的加工效果，比如超高压速冻等。因此，开展超高压食品加工设备和工艺研究， 对于提高我国食品加工水平有着重要意义。 本文以浙江省科技兴海重大科技项目超高压海产品加工技术研究与设备研 制( 项目编号：2 0 0 4 c 1 3 0 3 5 ) 为依托，对超高压海产品加工的设备和工艺进行 研究，主要工作和成果有： ( 1 ) 快速启闭式超高压容器设计。根据超高压海产品加工容器承压高，开 启频繁的特点，采用了一种适用于超高压食品加工的新型超高压容器结构，钢带 错绕自保护齿啮快速启闭结构，并参考国内外相关设计标准和设计方法，对l 发计 压力为3 1 5 m p a 、容积1 5 l 的超高压海产品加工容器的厚壁内筒、齿啮式快速启闭 装置、端部封头( 顶盖和底盖) 进行了设计和强度校核。 ( 2 ) 超高压带鱼加工工艺试验研究。选取带鱼为试验对象，以加工压力、 保压时间、预处理时间为试验因素，进行三因素三水平正交试验研究。对检测结 果进行数学分柝后，得到了超高压处理带鱼的最优加工工艺，为预处理3 0 s 后加 压到3 5 0 m p a 保压1 5 r a i n ，灭菌率达9 9 o 以上，并使3 j 口n - 后的带鱼在常温条件下 的保质期达到了1 5 天。 ( 3 ) 超高压脱脂黄鱼加工工艺试验研究。选取脱脂黄鱼为试验对象，以加 工压力、保压时间、预处理时间为试验因素，进行三因素三水平正交试验研究。 对检测结果进行数学分析后，得到了超高压处理脱脂黄鱼的最优加工工艺，为预 处理3 0 s 后加压到3 5 0 m p a 保压l o m i n ，使加工后的脱脂黄鱼在常温条件下的保 质期达到了1 5 天。 关键词：超高压容器食品j j n n - 海产品带鱼脱脂黄鱼杀菌 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t u l t r ah i g h - p r e s s u r ep m c e s s i n g ( u i - i p ) i san e wk i n do f f o o d p r o c e s s i n gt e c h n o l o g y c o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a lf o o dp r o c e s s i n gt e c h n o l o g y , i th a sm a n ya d v a n t a g e s f o r e x a m p l e ，i tp r e s e r v e st h en u t r i t i o n a lq u a l i t y 、t e x t u r e 、f l a v o r 、c o l o u ra n df r e s h n e s so f t h e f o o db e t t e r , m e a n w h i l e ，i tc a na c h i e v et h ep r o c e s s i n gr e s u l t st h a tt r a d i t i o n a lf o o d p r o c e s s i n gc a l ln o tr e a c h , s u c ha su h pq u i c kf r o z e n c o n d u c t i n gr e s e a r c hi nt h e e q u i p m e n ta n dp r o c e s st e c h n o l o g yi nt h eu h pf i e l d ，t h e r e f o r e ，i ss i g n i f i c a n tf o r i m p r o v i n gf o o dp r o c e s s i n gl e v e li nc h i n a b a s e do dt h ei m p o r t a n tt e c h n o l o g i c a lp r o j e c to fz h e j i a n gp r o v i n c e ( i t e mn o 2 0 0 4 c 1 3 0 3 5 ) w h i c ha d v o c a t e sd e v e l o p i n go c e a n r e s o u r c ew i t h t e c h n o l o g y t i t l e d “p r o c e s sr e s e a r c ha n de q u i p m e n td e s i g no fu l t r ah i g h - p r e s s u r ep r o c e s s i n go fs e af o o d p r o d u c t ”，t h ec t l r r e n tt h e s i sm a i n l ys t u d i e st h ed e s i g no fe q u i p m e n tf o ru h pp r o c e s s i n g s e af o o da n da l s ot h ep r o c e s s i n gt e c h n i q u e b e l o wa r et h em a i np r o c e d u r e so ft h i s e x p e r i m e n ta n dm a j o ra c h i e v e m e n t ： ( 1 ) d e s i g no fu l t r ah i 曲- p r e s s u r ev e s s e lw i t hq u i c k - c l o s u r e d u et ot h ef e a t u r e so f h i g hp r e s s u r ea n df r e q u e n t l yo p m l e d ，an e wk i n do fs t r u c t u r ef o ru l t r ah i g h p r e s s u r e v e s s e lu s e df o ru h po fs e af o o dp r o d u c ti su s e dh e r e ，d e t a c h a b l et o o t h - l o c k e dq u i c k c l o s u r es t r u c t u r ew i t hw i n d i n gw i 廿ls t e e lb e l tf o rs e l f - p r o t e c t i o n ，c o n s u l t i n gt h er e l a t e d d e s i g n i n gc o d ea n dm e t h o da th o m ea n da b r o a d ，t h ed e s i g na n ds t r e n g t hc h e c ko f t h i c k w a l l e dc y l i n d e r 、d e t a c h a b l et o o t h - l o c k e dq u i c kc l o s u r es t r u c t u r e 、e n dh e a d ( t h e r o o fa n dt h eb o t t o mc o v e t ) o ft h ep r e s s u r ev e s s e lf o ru h po fs e af o o dp r o d u c tw i t ha d e s i g n e d p r e s s u r e o f 3 1 5 m p a a n da v o l u m eo f l 5 l i s p r e s e n t e d ( 2 ) e x p e r i m e n t a ls t u d yo fh a i r t a i lu s i n gw f i p c h o o s i n gh a i r t a i la st h eo b j e c t ， t a k i n gp r o c e s s i n gp r e s s u r e 、t i m eo f h o l d i n gt h ep r e s s u r ea n dt i m eo f p r e - p r o c e s s i n ga s t h ef a c t o r s ，o r t h o g o n a le x p e r i m e n tw i t ht h r e ef a c t o r sa n dt h r e el e v e l si sc o n d u c t e d a f t e ra n a l y z i n gt h er e s u l t s ，t h eb e s tp r o c e s s i n gt e c h n i q u ef o ru h po f h a i r t m li sa c h i e v e d ， w h i c hi sa f t e r3 0s e c o n d so f t h ep r e p r o c e s s i n g ，h o l d i n gi tf o r15 m i nw i t ht h ep r e s s u r e o f 3 5 0 m p a i nt h i sw a y , m o r et h a n9 9 o f t h eb a c t e r i a sa r ek i l l e d ，a n dt h ep r e s e r v i n g p e r i o do f t h ep r o c e s s e dh a i r t r a i li se x t e n d e d t o1 5d a y su n d e rn o r m a lt e m p e r a t u r e i i 浙江大学硕士学位论文 ( 3 ) e x p e r i m e n t a ls t u d yo fd e g r e a s e dy e l l o w f i nt u n au s i n gu h p c h o o s i n g d e g r e a s e dy e l l o w f i nt u n aa st h eo b j e c t ，t a k i n gp r o c e s s i n gp r e s s u r e ，t i m eo fh o l d i n g t h ep r e s s u r ea n dt i m eo fp r e p r o c e s s i n ga st h e f a c t o r s o r t h o g o n a le x p e r i m e n tw i t h t h r e ef a c t o r sa n dt h r e el e v e l si st a k e n a f t e ra n a l y z i n gt h er e s u l t s ，t h eb e s tp r o c e s s i n g t e c h n i q u ef o ru h po fd e g r e a s e dy e l l o w - f i nt u n ai sa c h i e v e d ，w h i c hi sa f t e r3 0s e c o n d s o ft h ep r e 。p r o c e s s i n g ，h o l d i n gi tf o r15 r a i nw i t ht h ep r e s s u r eo f3 5 0 m p a i nt h i sw a y , t h ep r e s e r v i n gp e r i o do ft h ep r o c e s s e dd e g r e a s e dy e l l o w f i nt u n ai se x t e n d e dt o15 d a y su n d e rn o r m a lt e m p e r a t u r e k e y w o r d s ：u l t r a h i 曲p r e s s u r ev e s s e l ；f o o dp r o c e s s ；s e af o o dp r o d u c t ；h a i r t a i l ； d e g r e a s e dy e l l o w f i nt u n a ；s t e r i l i z e i i i 浙江大学硬士学位论文 符号说明 a b一 螺塞螺纹内径截面积m 0 d 1 4一图2 6 所示底塞外径，咖； a c一 筒底螺纹内径截面积m d i一筒体内径，姗； c m一啮合弹性系数 c t一螺纹弹性系数 d l ，一 筒底端部退刀槽直径，衄； d d 一简体外径，m m ； 矾一项塞拉杆直径。姗；石一 齿的载荷分布不均匀系数； 如一齿盖开孔直径，1 1 1 m ；五一应力修正系数； d 一端部法兰平均直径，l i n ； f 一峰值应力，m p a ： d l 一 顶塞与齿盖接触内径，n 1 1 1 1 _ ；e一筒体轴向力，n ； d 2一 顶塞与齿盖接触外径，m m ； d 3一 齿蔫啮合齿齿端直径，m m ； 皿 见 端部法兰啮合齿齿端直径 m m ： 端部法兰内直径，m ； 端部法兰内表面到图2 5 所 季 一 示上、中环部分形d 距离， i t ) m | 一 端部法兰内表面到图2 5 所 6 。 示端部法兰形心距离，咖： 一 筒底齿根到筒底形心距离。 g d m m ： 石一应力修正系数 d 6一端部法兰上环外径，衄； g 一齿间啮合力，n ； d 1 l一 底塞梯形螺纹中径，m m ； i - i梯形螺纹牙高，伽； 皿2一螺塞内孔直径，枷； d 1 3一底塞拉杆直径。m m ； v 1 j l 一顶塞厚度，m m ； 岛一齿盖啮合齿厚度，i t t m ； 浙江大学硕士学位论文 如 一 齿盖凸缘高度。n m ；k md 点拉伸应力集中系数； 岛 螺塞高度，m m ；如 一d 点弯曲应力集中系数 筒底端部螺纹部分高度， m m ： 鬼 退刀槽轴向高度，m i n ； k一齿盖齿根弧长，舢； 一筒体长度 h 6一 底塞上部厚度，i r o n ；4 一端部法兰齿根弧长，m l i l 玛一底塞中部厚度，n n ；肘d 弯矩，m m ： 端部法兰顶端到图2 5 所示 ” 上、中环部分移啤e 离，m ； r 端部法兰顶端到图2 5 所示端 _一 部法兰膨睇e 离，姗： f筒底底面与筒底形心距离， 一m ： ， 图2 5 所示端部法兰对y y 。 一轴惯性距，m 一； ，图2 5 所示上、中环部分对 。 一x - - x 轴惯性距，m n 4 ； m 日一弯矩，2 、，m m ： 肘一弯矩，w m ； 彤d 一力矩，, v m r a 力矩，m m m ：一力矩，m m 七 一 与材料性能有关的系数， 盯 啮合齿数 k 一莨，的外半径与内半径之 一爆破安全系数； 一应力集中系数； 户 一工作压力，m p a ； 砀 一 b 点拉伸应力集中系数； 只 一次弯曲应力，m p a ； j r 厶一 b 点弯曲应力集中系数b一 爆破压力。m p a ； 一c 点拉伸应力集中系数；只一设计压力，m a ； 口c c 点弯曲应力集中系数 己一 一次总体薄膜应力，m p a ： 衔征大学硕士学位论文 e一 一次局部薄膜应力，m p a ； s 2 一顶塞平均挤压应力，m p a ； 卑一 水压试验压力，m p a 墨一 齿盖齿根切应力，m p a ； 弓一螺纹牙距，r a m ； q 一二次应力，m p a ； q d 一剪力，l q m ： g一剪力，n m ； 级一剪力，n m ； r l一 端部法兰的齿根倒角，1 3 1 n 1 ； r 2一 端部法兰的齿端倒角，i 1 1 1 1 1 r 3一齿盖上齿根倒角，m ； 端部法兰与篱体连接处倒 r 4 一角，姗n 吩一】页塞拉杆倒角，啪； 。 齿盖啮合齿一次弯曲应力， 0 4 一m p a ： 。 齿盖凿根处峰值应力， 0 5 一m p a ： 咒一齿盖齿面挤压应力，m p a ； & 一齿盖底面挤压应力， ，a ； q 端部法兰齿根截面a 切应 o s 一力，m p a ； c 端部法兰齿根截面a 弯曲 0 9 一应力，m p a ： 。 端部法兰齿根峰值应力， o j d m p a ： 。 端部法兰c 截面切应力， 0 1 1 一m p a ： 。 端部法兰b 截面径向切应 0 1 2 一力，m p a ； ， 端部法兰与简体连接处的 d 1 3 一峰值应力，m p a ； r 6一齿盖上齿端倒角，m ；s 4一底塞切应力，m p a ； r 7一 齿盖下齿根倒角，1 1 1 1 | 墨5一底塞挤压应力，m p a ； r s 一 齿盖内孔下端倒角。； 墨一 螺纹挤压应力，m p a ； r 9一底塞拉杆倒角，蛳： o一 图2 7 所示底塞倒角，l l l n l ； 墨一顶塞平均切应力。m p a ； a 螺纹齿根转角处的应力峰 0 1 7 一值 。 底部法兰d 截面径向切应 0 1 8 一力，m p a ； c 底部法兰退刀槽下端应力 0 1 9 一峰值，m p a ； 浙江大学硕士学位论文 一妻苎计算交变应力强度 一r r 0一第一圈螺纹载荷，m p 。； u q 一口a ： 一 用阿林飘孰。1 心4 5 墨一屈服强度，御a ； 口 一形状系数对矩形截面 口= 1 5 ： 品一 弯曲应力，m p a ；万 一容器简体厚度，b m e i ； 。端部法兰b 截面弯曲应力， o 肋一胁： 。 端部法兰c 截面弯曲应力， o b c 一姗a ： 一 筒底d 截面弯曲应力，m p a ； 昌 一拉伸应力，m p a ： 。 端部法兰b 截面拉伸应力， o 擂 一 a ： 。 端部法兰c 截面拉伸应力， o t c 一a ： 一 筒底d 截面拉伸应力，m p a ； 4一端部法兰下环厚度，m n ： 五一端部法兰上环厚度，1 t i b l ； 。 端部法兰啮合齿径向宽度， 0 3 一姐m ： 坑 一 齿盖啮合齿径向宽度，e 1 8 1 ； 嗔一 筒底端部最小厚度，n l t l l ； 。 筒底端部退刀槽处厚度 氐一m ： 磊一螺塞最小厚度，呦； 瓯一 设计温度下材料的抗拉强度 g r 一 螺纹弯曲应力，m p a ； t 一端部法兰下环高度，m ； 一抗拉强度；，m p a ： 互一 端部法兰中环高度，i n l l l ； 规定非比例延伸强度。 。一胁： 五一端部法兰上环高度，姗； f 一 螺纹切应力，m p a ； 浙江大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 引言 超高压技术( u l t r ah i 曲p r e s s u r ep r o c e s s i n g , u h p p ) ，也称为高压技术( h i g h p r e s s u r ep r o c e s s i n g ，h p p ) 或静水压技术( h i g hh y d r o s t a t i cp r e s s u r e ，h h p ) 。食 品超高压技术就是将食品原料包装后( 当食品原料是液体时，有时会直接置于容 器中进行处理) ，密封于超高压容器中( 媒介通常为水或其它流体) ，在静高压和 一定的温度下加工适当的时间，引起食品成分非共价键的破坏或形成，使食品中 的酶、蛋白质、淀粉等生物高分子物质分别失活、变性和糊化，并杀死食品中的 细菌等微生物，从而达到食品灭菌、保藏和加工的目的。 超高压在食品工业中有着很多应用，并且具有传统的食品加工所不具备的优 点。 ( i )超高压食品加工。鉴于超高压对食品中基本组成成分( 比如蛋白质、 脂类、糖类等) 的影响，可以利用超高压生产出很多传统的食品加 工工艺无法生产出的产品。 ( 2 )超高压食品杀菌。即食生鲜食品的微生物很多，容易吃坏，但是， 传统的热杀菌又会在很大程度上破坏食品的风味儿、色泽以及营养 成分。超高压处理即能够杀灭细菌，又不会使维生素、色素、香气 成分等低分子物质发生变化及产生异臭物等，加压后食品仍保持原 有的生鲜风味和营养成分【l ，2 1 。 ( 3 ) 超高压食品速冻。在超高压条件下，水的冰点会降低，利用这一点， 可以使食品由里到外在瞬间冻结，达到真正意义的速冻n 4 1 。 ( 4 )超高压食品保鲜。由于超高压对细菌有杀灭作用，因此可以用超高 压加工对食品进行杀菌保鲜，这不仅避免了常规的速冻保鲜破坏食 品风味和口感，同时也可以节约大量的能量，因为超高压加工仅消 耗少量的电能( 用于液体增压) ，而不像冷藏，需要耗费大量的能量 来将食品保藏在低温条件下嘲。 超高压食品加工技术始于1 9 世纪末，并且超高压技术在食品领域的应用首 1 浙江大学碗士学位论文 先是开始于食品杀菌。早在1 8 9 5 年，h r o y e r 就进行了利用超高压处理杀死细 菌的研究；1 8 9 9 年，e r t h i t e 报道了利用4 5 0 m p a 或更高压力能延长牛奶的保存 期；1 9 1 4 年，高压物理学家p w b r i d g m a n 首先发现，超高压会产生蛋白质的 加压凝固和酶的失活，还能杀死生物及微生物删。随后，科学家们渐渐把超高 压应用在了液体、固体食品的灭菌保鲜中。但是，由于技术的不成熟，而没有能 够在商业上得到广泛应用。 1 2 超高压食品加工原理 利用超高压对食品进行加工，主要是利用超高压对食品中水、脂类、糖类， 蛋白质等的影响，来达到各种加工目的的。下面对超高压对食品基本成分的影响 及其在食品加工中的应用进行介绍。 ( 1 ) 超高压对水的影响 水是大部分食品的主要成分，也可以作为超高压的压媒。水在超高压下的特 性将直接影响到食品的超高压处理结果。 在超高压和低温( 低于零摄氏度) 联合作用的条件下，水溶液、各种含水食 品和细胞组织就会发生相交现象。 p r e s s u c e a m l 图1 1 水的温度一压力状态图 图l ，1 中显示了压力对纯水的固液相状态的影响【1 0 】。图中l 3 分别代表了 不同的结冰过程，i c ei i c e v 分别代表了超高压条件下所形成的不同结构和状 态的冰。从图中还可以看出，随着压力从常压升高到2 1 0 m p a 左右，水的凝固点 2 浙江大学碗士学位论文 从0 降低到一2 2 当压力高于2 1 0 1 v i p a 后，随着压力的升高。水的凝固点又 有所回升。 而且，在超高压条件下，不仅水的凝固点会发生变化，水还会发生体积收缩 及水温的变化【1 m 1 2 1 图1 2 为超高压下水的压缩率与压力的关系。从图中可 以看出，超高压会导致水的体积发生压缩，在1 0 m p a 范围内，水的压缩率最大 可达2 0 ；不同温度下水的压缩率也会略有不同。 o 、 魁 霹 磐 醋 晤 图1 2 超高压下水的压缩率与图1 3 超高压下不同温度水的 压力的关系温度增加僵 水的压缩还会导致水温的升高。图1 3 为不同初始温度的水经超高压处理后 的温升曲纠1 3 1 。 此外，超高压下水的传热特性和比热容等也会发生变化，这些变化都会影响 到超高压处理过程食品有关特性的变化。另外，超高压还会缩短冰的融化时间 i t 4 1 。 超高压作用下水特性的研究主要应用在速冻食品加工中。在普通的食品冷冻 工艺中，是将食品放置在零下几十度的条件下，让食品迅速冷却。但是由于热量 的传导需要一个过程，因而食品的结冰过程肯定是有外而内的，而且会有一个过 程，这样的化会使冻结的食品内部残生粗大的冰晶，影响食品的品质。如果先将 压力提高到2 0 0 m p a ，再将温度降低到零下( 有很多试验是将温度降低到一1 8 c ) ， 然后突然卸压。由于压力是在食品内部均匀分布的，这样卸压后就可以保证整个 食品原料都处于常压低温状态，使食品原料迅速结冰，这样就真正的达到了“速 冻”的目的，同时也会使生成的冰晶变得非常细腻，使食品的品质几乎不受影响 1 5 1 。同时，利用水的凝固点的降低，还可以发展低温不冻储藏工艺。当压力升 高到2 2 0 0 m p a 以上时，水在8 2 以上仍能结冰，利用这个特点可以进行冻结食 柏”前罄峙m，0 浙江大学硕士学位论文 品的解冻【1 6 1 。 ( 2 ) 超高压对脂类的影响 脂类化合物是组成生物细胞所不可缺少的物质，也是食品三大主要成分之 一，不仅是很好的热量来源，而且还含有人体不能合成而一定要摄自食物以维持 健康的必须脂肪酸。而且，脂类也是不可或缺的工业原料，因此经济意义非常重 大。根据超高压可以改变物料中脂类某些物性的原理，可以对食品的品质和风味 进行改良，并且在现今已经有了很多的应用，比如利用超高压处理防止巧克力中 三甘油脂类的多晶的形成，从而改善品质等。 超高压对脂类的影响是人们研究高压对大分子作用的一部分内容。一些研究 结果认为，超高压对脂类的影响是可逆的。一般情况下，脂类的耐压程度较低， 常温下加压1 0 0 2 0 0 m p a ，就可使脂类凝固，但卸压后固体仍能回复原状【1 7 l 。 超高压处理还可以使乳化液中的固体脂肪增加，而且，结果要受压力、温度、 时间和脂肪球大小的影响。例如，甘油三脂的熔点随压力的升高而升高。 超高压加工在脂类方面的应用，最多的是在牛乳的加工中。对牛乳进行超高 压处理时，由于超高压处理造成的相转变温度波动，可加速、强化和启动脂肪结 晶。b u c h h i e m ( 1 9 9 6 ) 用超高压处理含脂肪的食品体系可以促使脂肪结晶，缩短 达到理想固态脂肪含量的时间【1 3 】。超高压处理可以降低冰淇淋混合料的老化时 间，提高生产奶油时稀奶油的物理成熟。超高压处理也可以用于制造高品质的人 造奶油。同时，超高压也可用于对牛乳进行杀菌隅1 们。 ( 3 ) 超高压对糖类的影响 作为重要的营养物质或结构物质，多糖( 高聚糖) 广泛存在于生物界中。在 植物体内，多糖的存在形式一般为淀粉和纤维素；在动物体内，则多以糖元的形 式存在，如肝糖元、肌糖元等。 超高压对多糖类物质的影响方面的研究相对较少，但近年来有增多的趋势， 其中多见于超高压对淀粉的影响。 不同淀粉的耐压性不同，如小麦和玉米淀粉对超高压较敏感，而马铃薯淀粉 的耐压性较强，经处理的结晶结构在超高压处理后会消失。多数淀粉经超高压处 理后糊化温度有所升高，对淀粉酶的敏感性也会增加，从而使淀粉的消化率提高。 通过差示扫描热分析法( d s c ) 对玉米淀粉进行4 0 0 m p a 以下的超高压处理，并对 4 浙江大学硕士学位论文 其糊化特性的变化进行了研究。结果表明，加工压力越高，保压时间越长，则糊 化温度降低越大，并且其糊化度会提高，糊化焓也将变大 2 0 - 2 2 1 。 另外，与热加工糊化淀粉糊相比，超高压加工淀粉糊的老化特性也不同：超 高压处理完全糊化的淀粉糊冻融稳定性很好，但超高压处理未完全糊化的淀粉糊 冻融稳定性却与热加工期化的淀粉糊相同。 超高压在改良陈米品质上的应用也取得了良好的效果。大米是以淀粉为主的 食物，淀粉存在于胚乳细胞内的淀粉质膜中，新米胚乳细胞壁和淀粉质膜柔软， 而存放一年以上的陈米，其细胞壁和淀粉质膜已经坚固地结合在一起，抑制了煮 饭过程中淀粉粒的流出和糊化，成为硬而不粘的米饭。青山等采用超高压作为破 坏细胞壁的手段，促进淀粉粒的膨化、糊化，改良陈米的品质使米饭的黏性、香 气和光泽度提高，而且还可以缩短煮饭时间，取得了良好的效果【”1 。 ( 4 ) 超高压对蛋白质的影响 蛋白质是一切生命的物质基础，也是构成集体组织器官的基本成分。从食品 科学的角度来看，蛋白质除了保证食品的营养价值以外，在决定食品的色、香、 味以及质构等方面也起着重要的作用。 蛋白质一般具有四级结构。蛋白质的一级结构就是蛋白质多肽链中氨基酸残 基的排列顺序，也是蛋自质的最基本结构：二级结构是指多肽链中主链原子的局 部空间排布；三级结构是指多肽链在各种二级结构的基础上再进一步盘曲或折叠 形成具有一定规律的三维空间结构；而多肽链间通过次级键相互组合而形成的空 间结构成为蛋白质的四级结构。一般来说，超高压对蛋白质的一级结构没有影响， 对二级结构有稳定作用，对三级、四级结构具有破坏作用【”j 超高压对蛋白质的影响可以是可逆或不可逆的。般情况下，在1 0 0 2 0 0 m p a 下，蛋白质的变化是可逆的；当压力超过3 0 0 m p a 时，蛋白质的变化趋向 不可逆。 蛋白质在超高压下的变性与热变性相似，即产生蛋白质的凝固或凝胶，但超 高压产生的凝胶，其色泽、风味儿等性质却明显优于热变性产生的凝胶。对兔肉、 鲤鱼肌动球蛋白和大豆蛋白经过超高压处理后获得的凝胶组织特性进行研究，发 现由于超高压形成的凝胶比热凝胶更能保持其天然的颜色和香味，并且更加浓 稠、柔滑和柔软，弹性也更好，凝胶的硬度随压力的增加而增大，黏度则随压力 浙江大学硕士学位论文 的增大而降低。研究表明，产生这种差异的原因，主要是两种加工方法形成凝胶 的原理不同：超高压引起的变性主要是由于疏水键和离子键的破坏和蛋白质的伸 展所致，相反，加热引起的变性则是由于共价键的形成和破坏所致，从而导致了 食品香味儿的改变。 z 贰 碟 籀i o x 9 8 压力m p a ( i 断裂强壤 2 5 2 0 g 量 篓 溪i o：户 压力m 鹣 ( 2 ) 塌陷发 图1 4 明太鱼糜加压处理后的断裂强度和塌陷度 为了了解加压后鱼糜是否会凝胶化，以及压力对凝胶的影响，对冷冻鱼糜旌 加在1 0 0 5 0 0 m p a 压力下进行0 下l o m i n 的加压处理，并测定鱼糜的弹性、断 裂强度和塌陷度来判断其凝胶化程度【”】。图1 4 说明经加压处理后，鱼肉糜的 断裂强度和塌陷强度与处理压力之间的关系。图中，断裂强度= 断裂力冲头截 面积，n c m 2 ；塌陷度= 塌陷变形式样高度，。 表1 1 超高压处理对牛肉硬度和弹性的影响 处理压力m p a相对硬度相对弹性 0 1 ( 未处理)1 0 01 0 0 1 0 05 89 1 1 5 02 29 4 2 0 0 2 7 9 1 3 0 01 39 8 6 浙江大学硕士学位论文 超高压也可以用于改善肉类的品质。将牛肉在2 0 、1 0 0 3 0 0 m p a 下进行超 高压处理，处理后肉的颜色基本不变，硬度随压力增大而减小( 见表1 1 所示) 【”】。还有研究表明，超高压处理是使食肉嫩化、提高( 多汁) 保水性、促进成 熟、改良风味儿的有效手段。 ( 5 ) 超高压对酶的影响 酶是活细胞产生的具有高度专一性和催化效率的蛋白质，又成为生物催化 剂。酶是一种特殊的蛋白质，因此超高压对酶蛋白的结构的改变或破坏定会影响 到酶的活性。 酶在进行催化的时候，参加作用的并不是整个分子，而只是其中很少的一部 分，即酶的活性中心。超高压处理导致酶的失活，就是通过超高压对维持酶空间 结构的盐键、氢键、疏水键等起的破坏作用。 超高压对酶的影响还要受到很多条件的制约，比如处理时酶所处的介质环 境、p h 值、处理的压力和时间、介质温度以及有无酶活性抑制剂等 2 3 , 2 4 1 。 曾庆梅等在超高压处理对砀山梨汁中过氧化物酶活性的影响中瞄1 发现： 1 ) 在处理温度为5 0c 、保压时间为l o m i n 和梨汁p h 5 的条件下，3 0 0 m p a 以下压力范围内处理梨汁时过氧化物酶被激活，活性增加；5 0 0m p a 时 酶的活性降到对照样酶活性的7 5 。 2 ) 温度低于4 0 对过氧化物酶的活性影响不大；4 0 以后，酶活性随温度 升高而迅速降低：故在本试验条件下，有效温度与高压共同作用的最小 温度为4 0 。 3 ) 保压时问也存在一个最小值，在本试验条件下，此值为l o m i n ，超过l o m i n 后延长保压时间对酶的活性影响甚微；同时也说明保压时间不是影响酶 活性的主要因素。 4 ) 在4 0 0 m p a 、5 0 1 2 、保压时间为l o m i n 的条件下，p h 在5 6 之间，酶的 残留活性最大；p h 小于5 或大于6 酶的残留活性都呈下降状态。在p h 值为6 时，梨汁中过氧化物酶最为耐压。 1 3 超高压食品加工容器 超高压处理装置一般由压力发生器( 或称加压、减压系统) 、控制系统和高 7 浙江大学硕士学位论文 压容器三部分组成。 超高压装置的一般特点是【2 6 , 2 t i ： 1 ) 工作压力很高，一般为1 0 0 1 0 0 0 m p a ； 2 )压力变化速率快，一般为2 5 1 6 0 m p a m i n l 3 ) 循环载荷次数多。间歇操作为2 5 次h 。 在这套装置中，超高压容器是整个装置的核心，它承受的操作压力很高，可 达数百甚至上千兆帕，对技术要求也较高。同时，由于超高压加工过程中，需要 频繁的进料和出料，所以要求超高压食品加工容器要具有快速开关盖结构，这是 该容器在结构上的特殊要求。 1 3 i 简体结构 超高压容器简体结构一般为单层厚壁容器、多层热套结构、缠绕式结构和复 合式结构等。近年来，对超高压容器的结构又进行了更深的研究，比如小型内、 外双层结构超高压装置、超高压压媒的压缩变形性设计等，使超高压容器的设计 水平有了提高。所有的这些研究，都是围绕着如何简便、经济地获得足够的壁厚， 合理解决轴向承载能力，降低简体内壁面的应力水平这一关键问题的。下面简要 介绍一些典型的超高压筒体结构【2 引。 单层整锻式筒体 这是最早采用的超高压简体结构，其制造方法是：先切割大型钢锭中的浇口、 冒口等缺陷，将钢锭锻成圆柱形，然后将钢锭穿孔，再穿入芯轴锻内壁，使内径 大致达到所需要的尺寸，最后进行热处理，并精加工内外壁面、密封台阶和端部 螺纹。目前我国生产的超高压人造水晶釜都采用这一结构形式。 单层整体锻造简体的应用虽然很多，但其结构却有很大的局限性。厚壁圆筒 在内压力的作用下，应力的分布沿壁厚极不均匀，在筒体内壁处所产生的应力很 大，而在离开内壁稍远处的应力降低很快。在较高的内压作用下，简体内壁附近 会因高应力而发生屈服或塑性流动。 为了保证简体在弹性范围内工作，可以采用高强度的材料来制造简体，或是 增加筒体壁厚。但是，材料强度的提高，其塑性和韧性往往下降，有时反而不够 安全；增加筒体壁厚在一定范围内( k 6 时，则效果甚微。 浙江大学硕士学位论文 另外，制造整体锻造筒体需要非常大的钢锭、锻压机械、车床与镗床，毛坯 要比净重大2 2 5 倍；对于大型超高压容器，锻造更加困难。 因此，单层整体锻造简体不能在于压力极高并且尺寸较大的场合使用。 多层简体 在内压作用下，单层厚壁筒体沿壁厚方向的应力分布很部均匀，筒体内壁面 应力大、外壁面应力小，且随着简体外直径和内直径之比的增大，这种不均匀性 越来越突出。为提高厚壁筒的承载能力，在内壁面产生预压缩应力，达到均化应 力沿壁厚分布的目的，出现了各种形式的多层筒体结构。 ( 1 ) 双层热套筒体 双层热套筒体由两个同心圆筒组成，如图1 5 所示，内筒外表面和外筒内表 面都进行精密的机械加工，使内筒外直径稍大于外筒的内直径，通过加热外筒套 合内筒，冷却收缩后便紧密配合。 ( 2 ) 双层锥面配合简体 双层锥面配合筒体由内筒和外筒组成，内、外筒均为单层整锻式筒体。内筒 的外壁面加工成锥形，与外筒的内锥面相配合，如图1 6 所示。因为内筒是利用 压力机等强制装配到外筒的锥孔中，所以装配好后，内筒中存在预压缩应力，外 筒中存在预拉应力。 图1 5 双层热套容器 卜内筒；2 一外简；3 - 自紧塞头4 6 - 垫 5 一密封垫；7 - 垫块；8 一压紧螺母 9 围1 6 双层锥面配合容器 卜引线；2 一密封环i3 一内筒l4 - 塞头 5 一压紧螺母；6 - 外筒 浙江大学硕士学位论文 图1 7 双层套箍式容器 卜顶塞；2 - 套箍；3 一底塞： 内筒 图1 8 三层热套式容器 卜螺塞；2 - 垫片；3 - 自紧塞头；4 - 内筒体；5 一中筒 体；6 - 外简体；7 一密封圈；8 一楔形垫9 - 垫圈 ( 3 ) 双层套箍式简体 由l a m e 公式可知，承受内压的双层厚壁筒体，当内筒厚度超过总厚度的1 2 时，内简就能单独承受容器的全部轴向力，而外筒仅起环向加强作用。因此对于 长径比大的超高压容器，可以采用如图1 7 所示的双层套箍式简体，以避免双层 热套筒体套合时可能发生的咬死现象。在制造这种容器时，特别咬注意套合以后 套箍端面必须紧密接触，以不影响内筒的受力。 ( 4 ) 多层热套容器 在容器总壁厚不变的情况下，增加热套筒体的层数，可以提高简体的承载能 力和抗脆性断裂能力，减薄各层圆筒的厚度，但会影响筒壁的传热，增加制造工 序。因此，多层热套简体的层数一般不超过5 层。图1 8 为三层热套式超高压容 器。 绕丝式筒体 绕丝式筒体主要由内筒、钢丝层和法兰组成，如图1 9 所示。内筒一般为单 层整锻式简体，高强度钢丝以一定的预拉应力逐层环向缠绕在内筒上，直至设计 所规定的厚度，然后在钢丝层外壁面涂上防腐蚀层，并加保护钢板。钢丝缠绕拉 应力在内简上可产生很高的压缩应力，达到均化应力沿壁厚分布的目的，从而提 高圆筒的承载能力。这种简体结构具有很高的安全性，当内筒破坏后，钢丝层的 强度并未丧失，仍可承载，因而只会引起泄漏而无爆炸的危险。 1 0 浙江大学硕士学位论文 图1 9 绕丝式筒体结构 卜保护钢板；2 一防腐蚀层；3 钢丝层；4 _ 内筒 5 _ 半环键；6 - 扣环# 7 一活动法兰 姆醭 图1 1 0 剖分块式筒体结构 卜外简；2 一剖分块；3 一薄壁内套：4 - 双层热套外筒 剖分块式筒体 图1 1 1 压力夹套式超高压容器设计图 卜压紧螺母； 丹筒；3 一内筒； 4 - 压力控制嚣接口 剖分块式筒体主要由薄壁内套、剖分块和外简组成，如图1 1 0 所示。剖分 块之间互不相连，由抗压能力高的材料制成，其作用是将介质压力传给外筒，在 外筒上产生径向应力和环向应力。由于外筒直径增大，应力相应减小。外筒为单 层整锻式简体或多层筒体。薄壁内套由具有良好塑性的材料制成，其作用是防止 介质渗入到剖分块之间。该结构要求剖分块之间、剖分块与外筒之间紧密接触。 压力夹套式简体 压力夹套式简体主要由内、外圆筒组成。内、外圆筒间存在一定的间隙，内 筒里面式高压力的操作介质，间隙内由压力可控制的液体，如图1 1 l 所示。该 结构利用间隙内的液体压力( 即外压) 来平衡内筒介质的压力，降低内筒的应力 水平，提高承载能力。由于间隙内液体压力可以随着操作压力的改变而改变，故 该结构特别适用于非常高的压力及载荷交变频繁的场合。其缺点是结构复杂，制 造困难。 浙江大学硕士学位论文 1 3 2 快开式密封结构 在利用超高压进行食品加工的过程中( 某些液态食品除外) ，操作时间一般 较短，有的只有十几分钟，因此需要频繁的对容器进行启闭，以完成进料和出料 的工艺程序。所以，需要将超高压食品加工的容器设计成快速开盖式压力容器。 快速开盖式压力容器( 简称快开式压力容器) 是指将盖旋转某一角度或将锁 紧件移动一定距离，就可以完成启闭的压力容器。由于不需要逐个拧紧或松开紧 固螺栓，快开式压力容器的启闭时间很短，物料装卸相当方便，因而在频繁间歇 操作场合获得了广泛应用。 快开式压力容器的总体要求是：采用快速开关盖装置、抗疲劳性能好、物料 装卸方便、设置安全连锁装置。 快开式压力容器的关键是快速开关盖装置，其结构按基本原理大致可分为五 大类：卡箍式、齿啮式、压紧式、剖分环式和移动式【2 8 1 。 图1 1 2 卡箍连接结构 卜顶盖；2 一衬环；3 - 密封圈：4 一卡箍；5 _ 密封环 6 一筒体端都法兰；7 连接螺栓；8 - 螺母 1 2 围1 1 3 中低压齿啮式快开装置 卜平盖# 2 - 密封翻；3 一端部法兰；4 一卡箍 5 一简体；6 - 端部法兰齿；7 一顶盖法兰齿 浙扛大学碗士学位论文 卡箍式 传统的卡箍式连接结构如图1 1 2 所示。卡箍内面有两个锥面分别与顶盖和 筒体端部法兰的锥面相接触，承担由顶盖传过来的轴向力。通过逐个拧紧和松开 连接螺栓实现容器的开关该结构的启闭时间仍较长，难以达到快开的要求。 齿啮式 图1 1 3 是在大型蒸压釜、浸漆罐等中得到广泛应用的中低压齿啮式快速开 关装置。顶盖法兰和端部法兰在圆周方向加工出均布的齿，通过旋转某一角度达 到两齿的啮合和错开，从而达到快速开关盖的目的。 当压力很高时，一般不再采用顶盖和顶盖法兰对焊接结构，而是直接用平盖 代替，如图1 1 4 所示。 m 图i 1 4 高压齿啮式快开装置 l 平盖；2 - 密封圈 争镩；部法兰；4 卡箍 压紧式 压紧式结构主要是利用活节螺栓、旋柄、手轮、凸轮等快速拧紧或松开门盖 来达到快开的目的。一般采用强制式密封结构，郎通过活节螺栓、旋柄的拧紧或 凸轮的押金来达到预紧密封，因此其承压能力不高，一般只适用于常压、低压或 真空容器。图1 1 5 是旋柄快开装置的结构示意图。 割分环式 剖分式快开结构的特点式由剖分环承受内压产生的轴向力，采用全自紧式密 封结构，通过张开和收拢剖分环实现快开，如图1 1 6 所示。 浙江大学硕士学位论文 图1 1 5 旋柄快开装置 卜螺栓；2 - 旋柄；3 一横粱：4 一耳板 移动式 图1 1 7 是一种典型的 移动式快开装置，其特 点是门可以沿轨道水 平移动，而不象前面介l 绍的快开装置那样，需 要用起吊装置将盖吊 出，或者用平衡锤使盖 转动。丝杆为右旋螺 纹，当手把向右旋转 时，丝杆带动横梁上 升，横梁两端顶着钩耳 时，继续