（化工过程机械专业论文）超高压海产品加工容器快速启闭密封装置研究.pdf

摘要 y 9 1 1 4 7 1 1 超高压食品处理是一项新型食品加工技术。它是指将食品作用1 0 0 1 0 0 0 m p a 的压力，以达到杀菌、改变物性及保持食品原有风味和鲜度的目的。 对海产品进行超高噩处理，可以有效保持海产品的鲜昧，延长保藏时间，改善傈 藏效果，为海产品的深加工提供新途径。 国外超高压食品已进入产业化阶段，但国内还停留在食品灭菌和大分子变形 等基破应用研究方瑟，爨此对超离压食品处理设备进行深入研究具有重要意义。 本文根据超高压海产品加工容器频繁启闭的特点，对超高压容器的快速启闭密封 装置进行了研究，主要工作如下： ( 1 ) 工程设计方法。提出了一种适用于超高压容器的新型分体式齿啮快速 启闭结构及其组合密封装置，建立了一套适合实际应用的超高压快速启闭装置的 工程设计方法，并将其应用于设计压力为3 1 5 m p a 的1 5 l 超高压海产品处理模型容 器的设计。 ( 2 ) 数值模拟和疲劳分析。建立了超高压快速启闭装置整体有限元分析模 型，得到了其应力分布和接触面受力状况，并对各危险截面进行了应力评定。分 析了平均应力对容器疲劳寿命的影晌，并给出了相应的疲劳设计方法。疲劳分橱 结果表明，对于超高压快速启闭装置，疲劳失效是其最重要的失效方式之一。 ( 3 ) 优化设计。通过正交试验法研究了超高压容器疲劳寿命的影响因素， 包括齿嵌形状、过渡圆焦半径和端部法兰、啮合齿等几何参数。研究表瞬过渡因 角半径是影响疲劳寿命的主要因素，并对超高压容器端部结构进彳亍了优化设计。 分析结果表明，优化后容器的疲劳寿命能够满足设计要求。 ( 4 ) 液压试验。容积为1 5 l 的超嵩压海产晶处理模型容器在3 9 7 m p a 下的 液压试验结果表明，所设计的超高压快速启闭装置操作方便，启闭迅速，密封可 靠，密封元件可重复使用。该超高压分体式快速启闭密封装嚣能够满足工程设计 要求，具有良好的工业化前景。 关键词：超高压容器快速启闭装嚣密封应力评定 疲劳分析优化设计 正交试验 a b s t r a c t u l t r ah i g h - p r e s s u r ep r o c e s s i n g ( u h p ) i san e wm e t h o do ff o o dp r o c e s s i n gw h e r ef o o d i ss u b j e c t e dt oe l e v a t e dp r e s s u r e s ( a p p r o x i m a t e l y1 , 0 0 0t o1 0 ，0 0 0a t m o s p h e r e s ) ，t o a c h i e v em i c r o b i a li n a c t i v a t i o no rt oa l t e rt h ef o o da t t r i b u t e sw i t h o u tc h a n g i n gt h ef o o d q u a r r ya n dn a t u r a lf r e s h n e s s t h es e af o o dp r o c e s s e db yu h p c a nr e t a i ni t sf r e s h n e s s ， e x t e n ds h e l fl i f ea n di m p r o v ee f f e c to fp r e s e r v a t i o n ，s oi tp r o v i d e sa ni n n o v a t i v ew a y f o rd e e pp r o c e s s i n go fs e af o o d c o m p a r e dw i t hi n d u s t r i a l i z a t i o no fu l t r a - h i g hp r e s s u r ef o o dp r o c e s s i n gi nm o d e m c o u n t r i e s ，t h ei n v e s t i g a t i o na b o u tu h pi nc h i n ai sm a i n l ya b o u tb a s i ca p p l i c a t i o ns u c h a sf o o ds t e r i l i z a t i o n ，d e n a t u r a t i o no f b i o m a c r o m o l e c u l e ，a n ds oo n t h e r e f o r e ，t h es t u d y o nd e s i g na n dm a n u f a c t u r eo fu h pe q u i p m e n t si so fr e a ls i g n i f i c a n c e b a s e do nt h e f e a t u r e so fu l t r a - h i g hp r e s s u r ev e s s e l ( u p v ) f o rs e af o o dp r o c e s s i n g ，an e w q u i c k o p e n i n gc l o s u r ed e v i c ef o ru p vi sp r e s e n t e di nt h i sp a p e r t h em a i nr e s e a r c h r e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) e n g i n e e r i n gd e s i g nm e t h o d an e w d e v i c ew h i c hi n t e g r a t e dd e t a c h a b l et o o t h - l o c k e d q u i c kc l o s u r es t r u c t u r ea n da s s e m b l e ds e a lc o m p o n e n t si sg i v e n a n da i le n g i n e e r i n g d e s i g nm e t h o do ft h ed e v i c eu s e df o ru p vi sa l s op r e s e n t e d ，w h i c hi sa p p l i e dt oa n u p v f o rs e a f o o d p r o c e e d i n g w i t ha d e s i g n p r e s s u r e o f 3 1 5 m p aa n da v o l u m eo f l 5 l ( 2 ) n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n df a t i g u ed e s i g n aw h o l ef i n i t e e l e m e n tm o d e lo ft h e q u i c k o p e n i n gc l o s u r es t r u c t u r ei sb u i l t t h es t r e s s e sd i s t r i b u t i o no f t h i ss t r u c t u r ea n di t s c o n t a c tp r e s s u r ea r eo b t a i n e d t h en u m e r i c a lv a l u e s a r ea s s e s s e d b y s t r e s s c a t e g o r i z a t i o no fd e s i g nb ya n a l y s i s m e a ns t r e s se f f e c t so nf a t i g u el i f e o fp r e s s u r e v e s s e l si sa n a l y z e di nd e t a i la n dr e l e v a n tf a t i g u ed e s i g nm e t h o di sa l s og i v e n t h er e s u l t s h o w st h a tf a t i g u ei so n eo f t h em o s ti m p o r t a n tf a i l u r em o d e sf o ru p v s ( 3 ) o p t i m u md e s i g n b a s e do no r t h o g o n a le x p e r i m e n t , t h es i g n i f i c a n c eo ff a c t o r s a f f e c t i n gf a t i g u el i f e ，i n c l u d i n gt h er o o ts h a p e ，t h es i z eo fr o o tr a d i u sa n dt h eg e o m e t r i c p a r a m e t e r so ft o o t ha n de n df l a n g e i so b t a i n e d i ts h o w st h a tt h er o o tr a d i u si so f i m p o r t a n c et of a t i g u el i f eo fu p v s a n d a l lo p t i m i z e ds t r u c t u r ei sa c h i e v e d ；t h er e s u l t i n d i c a t e st h a tt h ef a t i g u el i f ec a nm e e tt h ed e s i g nr e q u i r e m e n ta f t e ro p t i m i z a t i o n ( 4 ) h y d r o s t a t i ct e s t h y d r o s t a t i ct e s to na1 5lu p v f o rs e af o o dp r o c e s s i n gi sc a r r i e d o u t t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a t ，t h ed e v i c ep u tf o r w a r di n t h i sp a p e ri s c o n v e n i e n tf o rq u i c k - o p e n i n gw i t hg o o ds e a lp e r f o r m a n c e ，a n ds e a lc o m p o n e n t sc a nb e u s e dr e p e t i t i v e l yu n d e r3 9 7 m p a t h i sd e v i c es a t i s f i e se n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o nw i t hg o o d i n d u s t r i a lu t i l i t yp r o s p e c t k e y w o r d s ：u l t r a - h i g hp r e s s u r ev e s s e l ；q u i c k o p e n i n gc l o s u r ed e v i c e ；s e a l i n g ； s t r e s se v a l u a t i o n ；f a t i g u ea n a l y s i s ；o p t i m i z a t i o n ；o n h o g o n a le x p e r i m e n t i i 浙江大学硕士学位论文 a o 形圈拉伸率 以 啊 符号说明 g 一 齿间啮合力，n o 形圈截面直径，m m ；h 一 顶塞厚度，m m 顶塞拉杆直径，m i l l 以 一齿盖开孔直径，m m l d 一端部法兰平均直径，m m o 形圈内径，i n t o d l一 顶塞与齿盖接触内径，m m d ， 一 顶塞与齿盖接触外径，m m 齿盖啮合齿齿端直径，m m ： 端部法兰啮合齿齿端直径， m m ； 端部法兰内直径，m m ； 套环内径，m m ： 套环外径，m i l l ； 筒体内径，m m ： 筒体外径m m ： 密封直径，m m ： 载荷分布不均匀系数； 应力修正系数： 峰值应力，m p a ： 筒体轴向力n ： 端部法兰内表面到图2 6 所示 斜线部分形山距离，m m ； v 1 忍 一 7 , h i b一 仁 k 一 三 一 m h m o 齿盖啮合齿厚度，f f t m ； 齿盖凸缘高度m m ： 端部法兰顶端到图2 6 所示 斜线部分形心距离，m m ； 图2 6 所示斜线部分对x x 轴惯性距，m m 4 ： 组合载荷系数： 应力集中系数； 齿盖齿根弧长，m m ： 端部法兰齿根弧长，m m ； 端部法兰b b 截面边缘弯 矩，n m ； 端部法兰上环和中环所 受力矩，n - m ； n 一啮合齿数 设计循环次数： 套合面最大接触压力， m p a ； 工作压力，m p a ； 弯曲应力，m p a ； 设计压力，m p a ； 一次总体薄膜应力，m p a 一次局部薄膜应力，m p a 试验压力，m p a ： 尸最b已芝 鼻 岛 皿 皿 见 b 口 石五 f e 季 滤茳大学硕士学位论文 q 一 酝一 一 一 n 一 屹 一 疋 一 量 一 且 一 & 一 瓯 一 s 。 一 & 一 一 是一 一 s o s ，一 s 2一 s d s m一 = 次应力，m p a ； 端帮法兰b - b 截面攀位长度 上的经向力，n m ； 端部法兰的齿根倒角，m m 端部法兰的齿端倒角，m m 齿意上齿根倒角，m m ； 端部法兰与筒体连接处倒角， m m ； 顶塞倒焦，m m ： 顶象切应力，m p 8 ： 顶塞平均挤压应力，m p a ： 齿盖切应力，m p a ； 齿盏啮合齿弯基应力，m p r ； 齿盏齿根处峰值应力，m p a ； 齿盖齿丽挤压应力，i v p a ； 齿盖底面挤压应力，m p a ； 端部法兰啮合齿切应力， m p a z 端部法兰啮合齿弯曲应力， m p a ： 端部法兰齿根峰值应力， m p a ： 端郏法兰b b 截面轴淘应力， m p a ： 端部法兰b b 截面径向切应 力，m p a ； 交变皮力的许用幅度，m p a ； 交变应力强度，m p a ； v h 一 s 。 一 s 。 一 最 一 s 8一 s r 8 一 r j i z 一 口 一 c 6一 占 一 占 一 文 一 6 ， 一 文 一 占。 一 口。 一 一 当量计算交变应力强度。 m p m 屈服强度，v i p a ； 顶塞材料屈服强度，m p a ； 极限拉伸强度，m p a ： 端部法兰b 。b 截蕊弯曲应 力，m p a ； 端部法兰b - b 截面拉伸应 力，m 口a ： 端部法兰下坪高度，m m ； 端部法兰中环高度，r a m ： 端部法兰上环高度，m i t l ； 形状系数，对矩形截面， a = 1 5 ： 0 形圈压缩率； o 形圈横向变形率； 容器简体厚度，m l t t ； 端部法兰下环厚度，m m ： 端部法兰上环厚度，f i l m ； 端部法兰啮合齿径向宽 度，m i l l ； 套环厚度，m m ： 套合过盈量，i t l i n ； 套环内表面径向应力 m p a ： 套环内表面环向应力 四a ： p ，一套环许用应力，m p a ； 濒扛大学硕士学位论文 1 文献综述 我国拥有嘤个近海海域，劳且南北跨温带、噩热带和热带三个溢度带，海洋 资源卡分丰富。海产品种类繁多，其中鱼类3 0 0 0 多零孛、虾类3 0 0 多耱、躲类6 0 0 多种、臻炎7 0 0 多种、头足类9 0 多种、藻类1 0 0 0 多种，此外还包括腔肠动物、棘 皮动物、两栖动物和爬行动物中的一些水生种类u ”。 海产品污染少、味道好，营养丰富，含有大量蚕自质和人体需要的多种元素， 据有广阔的市场前景。毽是我国海产品季节往、避嚣瞧过剩现象严羹，影响了不 嗣季节静均衡供应2 ；积缀产晶多，深加工、精加工产品少，产晶臻鸯霜菹不高翻； 绝大部分采用冷冻保鲜，难以满足消费者对海产品鲜度与鲜昧的要求，而且限制 了海产品的货架寿命和运输半径，使一些具有特色的海产品难以形成产业，严重 制约了渔渡的发展【4 l 。此外，食用不毅鲜海产晶弓i 超的中毒事故时蠢发圭龟，严重 影赡海产麓安全【5 幔。蟊褥翱工、绩存霸运输海产菇，提高产品辫热缓及国内钤 市场竞争力，是当前亟需解决的问题。 超高疆食品处理技术主要指使用高强度窑器，在密闭条件下以水鄂为介质给 食品加以i o o m p a - i o o o m p a 的压力，作用一段时间后，食品中的鬣臼质( 包括酶 类) 、多糖类、棱酸等生物赢分子产生压力变靛，溺对微生物细胞膜避透性受到 影噙被两杀死的一项食品加工技术睇j 。近年来，麓搿援食品处理技术在图际上备 受重视，正得到广泛研究并开始逐步投入应用，其杀菌与保鲜效果明最，并具有 保持食晶原有风味和质地的特点【9 】 1 0 i 。超高压不冻结贮藏能保持食品感官新鲜 度、挪制游离氨基酸和氨态氮的生成，还可以减少贮藏中的蛋白质变饿 t q ，提高 食暴瀚保存效果。 因此，将超高压杀菌、高艇冻结和解冻以及不冻结贮藏技术用于海产品处理 加工，可以有效保持海产品的鲜度与鲜昧，延长保藏时间，改善保藏效果，提高 海产品的附加值，为海产品深加工提供新途径。 1 1 超离蘧食品处理技术 超高压处理技术是继加热杀菌、冷冻、辐照、微波等食品处理技术之后的又 一场革命，被列为当前十大技术热点和二十一世纪十大尖端科技之一，是极具产 业化和裔妲讫前景的新技术。 浙江大学硕士学位论文 1 1 1 超高压食品处理技术原理 超高压加工处理食品是一个物理过程，其处理过程遵循两个基本原理，即帕 斯卡原理和l ec h a t e l i e r s 原理【1 2 1 。 根据帕斯卡原理，在食品加压处理过程中，液体压力可以瞬间均匀地传递到 整个食品。由此可知，超高压食品处理效果与食品的几何尺寸、形状、体积等无 关，在超高压处理过程中，整个食品将受到均一的处理，压力传递速度快，不存 在压力梯度，这不仅使得食品超高压加工的过程较为简单，而且能量消耗也明显 地降低。 l ec h a t e l i e r s 原理是指反应平衡将朝着减小施加于系统的外部作用力影响 的方向移动。依据l ec h a t e l i e r s 原理，外部高压会使受压系统的体积减小，反 之亦然。因此，食品的加压处理会使食品成分中发生的理化反应向着最大压缩状 态的方向进行，这意味着超高压加工食品将促使反应体系向着体积减小的方向移 动，压力不仅影响食品中反应的平衡，而且也影响反应的速率，还包括化学反应 以及分子构象的可能变化。 因此，食品在超高压处理过程中，超高压会改变食品中某些生物高分子物质 的空间结构，使生物材料发生某些不可逆的变化。 高压对食品的影响主要体现在以下几个方面 1 3 4 】： 超高压对水的影响水是大部分食品的主要成分，同时也可以作为超高压处 理的压力介质。高压下水的特性将直接影响到食品的超高压处理结果。 研究发现【1 5 l ，在0 6 3 2 4 m p a 范围内，高压下水的凝固点均较常压下低， 并在低于0 0 c 的温度下形成一个水的不冻结区域。当压力从常压升高到2 1 0 m p a 左右，水的凝固点从0 0 c 降低到- - 2 0 0 c ；当压力高于2 i o m p a 后，随着压力的升 高，水的凝固点又有所回升。高压下水还会发生体积收缩及水温变化。在1 0 0 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。水 的压缩会导致水温的升高。水温越高，高压下水的升温现象越明显。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 程食品特性的变化。 利用低温高压下水的凝固点下降及水温变化等特点，可以将超高压技术用于 冻藏食品的冻结、解冻以及食品或生物制品的不冻结贮藏。 巍江大学硕士攀位论文 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 泛存在予生物界中。在植物体态，多耱的存在形式一般为淀粉积纤维素；在动物 俸内，刚多以糖元静形式京在，如翳糖元、舰糖元等。 超高压对多糖类物质的影响的研究主嚣集中在超高联对淀粉的影响。不同淀 粉的耐压性不同，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 性也会增搬，胰两使淀粉的漕位率提高。有关研究结暴表骥，压力越高，傈压封 问越长，则淀粉糊化温度降低越大，并盛箕糊纯度会提高，糊化焓也将变大。与 热加工糊化淀粉糊相比，超高压处理完全糊化的淀粉糊冻融稳定性很好，但超高 压处理来完全凝化的淀粉獭冻融稳定性却与加热糊化的淀粉糊相同。 超蠢殛对蛋是质静影赡蛋自矮是一切生命的勃藏基礁，逛是构成鬃体组织 器官的基本成分。从食品科学的角度来看，鬣自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， 蛋幺质一般具有器级绥梅。蛋自屡的一级缮梅就是蛋囱质多获链中氨蘩酸残 基的排捌顺序，也是蛋白质的最基本结构；二级结构是稽多肽链中主链原予豹局 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娥折叠 形成具有一定规律的三维空间结构：面多肽链间通过次级键相互组合而形成的空 闻结构缓为蛋鑫质酶疆缀绩掏。一般来说，怒高压对蛋蠡艨静一级结构没有影确， 对二级结构有稳定作用，对三级、四级结构具有破坏作用。这样可使蛋白质结构 再造，使肉类变得松软可口 1 6 o 蛋自质在超高压下的交健与热致变链摆戗，郎产生鬣囊质豹凝固或凝胶，但 超高莲产生静凝胶，其色泽、风味等淫威却明曩往予热变憋产生的凝黢。怒高压 可在保持胶体及凝胶柔软性的同时，提高其强度。 超高愿对脂类的影响脂类化合物是组成生物细胞不可缺少的物质，也是食 品三大主要成分之一。滕类不仅是缀好豹热显来源，蔼虽述含商人体不能合成恳 一定要摄囱食物以维持健康的必须脂肪酸。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 ， 就哥使月宾类凝固，但鲻隧藤疆体脂肪仍熊霹复原状。趣离蠖处理还可以馒霉b 化液 中的强体旨肪增加，毽篡络聚要受压力、溢度、对润和瑟鼹球大小的髟确。照姊， 超高压处理造成的相转变温度波动，可加遮、强化和启动脂肪结晶。 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 浙江大学硕士学位论文 质，又称为生物催化剂。酶是一种特殊的蛋白质，因此超高压对酶蛋白结构的改 变或破坏定会影响到酶的活性。 通过超高压处理激活或灭活食品中的食品品质酶非常有利于食品的色泽、香 味及品质的提高。酶的生物活性产生于活性中心，活性中心是由分子的三维结构 产生的，即使是一个微小的变化也能导致活力的丧失，并改变酶的功能性质。蛋 白质的三级和四级结构的改变与体积变化有关，因此会受到高压的影响m 。通过 超高压对维持酶空间结构的盐键、氢键、疏水键等产生破坏作用，使一些酶和毒 素失活，可以提高食品的安全性和可口性。 1 1 2 超高压食品处理特点 超高压技术可用于生产新组织结构的食品，改善食品品质，形成特有的超高 压食品。几乎所有的研究都表明，超高压处理食品克服了传统热处理的许多不足 而具有独特的优点。食品热加工和超高压加工的比较分析见表1 1 。 表1 1 食品热加工技术与超高压技术比较分析【1 8 】 比较项目热加工技术超高压技术 操作 工作的压力和 常压，1 5 0 2 0 0 0 c1 5 0 6 0 0 m p a ，常温 参数 温度范围 和功 膨化、干燥、混 有无 能比 合作用 较杀菌、反应功能有 有 淀粉糊化及谷 以热致糊化为主，主要用于 压致糊化，无老化、回生现象，被 以谷物为原料的食品生产， 物膨化 应用于糊化淀粉的生产 产品口感松脆、风味独特 压致变性为主。除了用于植物蛋白 蛋白变性热致蛋白质变性变性处理外，还可用于肉类和蚩液 应用 等动物蛋白的处理 领域 食品杀菌有一定的灭菌功能 其应用以灭菌为主，在灭菌的同时 可以保持其他营养成分不变 比较 对食品质地和结构影响较 对食品原有的味道及风味没有影对食品感官指 标的影响 大会产生松脆喷香的口感响，色泽也基本没有改变 用于夹心食品、立体造型食 食品成形、干燥无食品成形、干燥的功能 品生产 特殊生化反应均可作为生化反应器，完成某些特殊的生化反应 ( 1 ) 超高压食品在最大程度上保持其原有营养成分不变的同时，感官特性 有较大的改善，同时消除了传统的热加工工艺所带来的变色发黄等弊端。这是超 浙江大学硕士学位论文 高压技术处理食品最突出的优势。 ( 2 ) 高压处理能保持食品原有的色泽和香味。由于加压处理对于小分子物 质如维生素、色素、风味物质等天然结构及水解物质均无影响，且一般来说不会 由于热而产生的“熟煮”等异臭物质，又可使酶失活，抑制褐变发生，使食品能 最大限度地保持天然的色泽和风味，符合消费者“回归自然”的愿望。 ( 3 ) 超高压处理食品杀菌效果良好，便于长期保存。超高压处理可以在保 持食品原有风味条件下杀菌，其杀菌效果已完全被食品业界所肯定。经高压处理 的食品可延长保质期，同时又弥补了冷冻保藏引起色泽变化、失去弹性等不足。 ( 4 ) 超高压处理技术节约能源，缩短生产时间，原材料利用率高。超高压 食品处理过程中，把压力作为能量因子来利用，水压瞬间就能以同样大小向各个 方向传递，作用均匀。在食品的表层和中心不存在压力差，食品能够均匀加工处 理。故高压处理可使生产过程大大缩短，提高生产效率。从能耗角度看，加压法 能耗仅为加热法的十分之一。 此外，经超高压处理的食品各种理化指标不同于其他加工方法处理的食品， 从而可以期待获得具有新物性的食品。 1 1 3 超高压食品处理技术发展历史及前景 超高压处理技术应用于食品工业的历史并不长。1 8 9 5 年，h r o y e r 进行了利 用超高压杀死细菌的研究：1 8 9 9 年，b 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【2 3 】；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【2 4 1 。后来陆续也 有一些报道，但大多数研究只是在单纯培养基上进行的，而且在很长时间里，由 于受到超高压设备、包装材料等技术条件以及市场需求的限制，并没有人把这种 技术应用到食品行业中。而在同一时期，高压技术在聚态物理上的研究和在化工 及冶金工业上的应用得到了迅速的发展。 直到2 0 世纪8 0 年代，随着能源问题、化学污染和对高质量食品的需求，人 们又重新开始考虑高压技术在食品行业中的应用价值。1 9 8 9 年日本京都大学林 力丸教授在科隆召开的第五次国际食品工学学术会议上发表“高压在食品加工储 存中的应用、设想及发展趋势”论文，引起了各国学者的强烈反响，从而揭开了 超高压生物处理技术产业化的序幕。同时在k y o t o 大学成立了由日本农业部、渔 浙江大学硕士学位论文 业部、学院科研人员及2 1 家食品工程公司联手的专门机构，从事研究如何将超 高压用于食品的处理。欧共体也于1 9 9 2 年在法国召开了高压食品专题会议1 2 ”。 日本在超高压食品处理方面走在了世界的前列，是最先将高压技术运用到食 品工业中的国家。1 9 9 1 年4 月日本首次将超高压技术处理产品果酱投放市 场，其独到风味立即引起了发达国家政府、科研机构及企业界的高度重视，德、 美、英、法等欧美国家也先后对高压食品的加工原理、方法及应用前景开展了广 泛的研究。至今在欧洲已举行了多次高压加工技术的国际学术研讨会。目前超高 压技术在食品加工业中的应用在日本已得到了长足的发展，如在日本市场上随处 可见的超高压食品，包括果酱、果汁、葡萄柚和橘子汁等。随后美、欧各国相继 推出超高压橙汁、牛排、火腿、鱼糕等。日、美、英正在用该技术研制军用食品， 美国、日本的宇航员带着超高压酸奶、果羹等在太空食用【2 6 j 。 我国对超高压生物处理技术，特别是对食品的超高压低温灭菌技术报道较 早，1 9 9 1 年国内部分期刊就开始介绍了国外超高压低温灭菌技术的应用情况， 此后有关该项技术的报道和综述在国内几十种期刊和学报上陆续发表口”。同 时部分大专院校食品工程系的学者们开始对该项技术进行跟踪研究，如兵器部 5 2 所、浙江大学口”、华南理工大学【34 1 、中国农业大学1 35 1 、浙江工商大学、合 肥工业大学吲， 3 8 】、内蒙古农业大学例，【4 0 1 等对超高压灭菌及反应动力学、超高压 对生物大分子的影响和超高压加工黄酒、西瓜汁、牛羊肉等技术进行了研究。 超高压食品处理技术，是食品工业中一个崭新的研究领域。但从总的食品市 场来看，超高压食品并末占领市场和实现大产业化。与国外相比，我国对超高压 技术研究的深度和广度都有很大差距，至今我国的超高压技术仍然处在研究阶 段，没有一种超高压加工的食品和生物制品推向市场，也没有一种定型的超高压 加工设备可资使用。 目前制约超高压食品加工产业化的最主要因素就是生产成本。食品超高压处 理设备批处理量小，达不到连续化大批量生产，并且超高压容器和加压系统价格 昂贵，这就决定了超高压食品成本暂时偏高，超过了人们的购买力。虽然人们对 要求具有“营养价值、风味、色泽、新鲜程度”食品的呼声很高，但是大多数人 对于这些产品的高价格还是很难感到满意。 其次有关超高压科学的理论体系尚不完善，压力容器安全问题还待更深入的 研究。由于超高压容器工作压力都很高，一般达到几千个大气压，所以安全问题 浙江大学硕士学位论文 也是影响到超高压食品加工应用的一个重要因素。同时，超高压食品加工中容器 承受的都是循环载荷，而且循环次数比较多，若是脉冲加压方式，则要求容器的 循环加压次数更高，这会使容器产生疲劳失效，很容易引起安全问题。因此，如 何提高超高压容器的安全性也是需要解决的技术问题之一。 另外就是超高压食品加工工艺。根据超高压杀菌的特点，每种食品的加工工 艺都不尽相同，这就决定了超高压食品加工工艺的唯一性，所以需要根据加工原 料的不同而确定不同的加工工艺。同时，对于不同的加工原料，各种客观因素( 温 度、p h 值、压力等) 的作用也都不同，因此就需要大量的试验来确定最佳的加 工工艺，从而也大大增加了前期的工作量，这对超高压食品加工产业化来说也是 一个巨大的挑战。 虽然超高压食品加工技术还有很多问题需研究解决，但由于经超高压处理的 食品更接近原来食品，具有风味好、营养价值高等优点，所以有可能部分代替辐 射杀菌和加热杀菌的方法。我国在食品加工方面也存在着许多希望以冷加工代替 热加工的迫切问题，也许高压处理是目前解决这些问题的最好途径之一。随着超 高压食品处理技术研究和开发的不断深入，我们可以相信以当今超高压食品科学 与传统的加工工艺相结合，由传统单一热加工为主，通向“热加工”和“超高压 加工”并举的新时代，超高压技术在食品行业必定有广阔的应用前景，其影响之 广泛，意义之深远将是难以估量的【4 lj 。 1 1 4 超高压技术在海产品加工中的应用 海产品主要包括来自于海洋中鳍鱼类、甲壳类以及其它软体动物类。海产品 经常被生食、或在水中轻微煮熟食用，所以并不能依靠加热而达到消除病原体的 目的，同时人们对海产品鲜度和食用安全的要求也越来越高。而海产品超高压杀 菌处理可保留较多的营养成分，较少产生热杀菌带来的异臭及异常物质的生产， 最大限度地保持海产品原料的性状和新鲜风味。此外，海产品保鲜冻结新技术可 以延长新鲜海产品货架寿命并保证其色泽和质地【4 2 。大量研究表明，超高压食品 处理技术完全可以作为一种安全、高质量的对海产品进行灭菌和延长货架期的处 理方法，其在加工处理海产品方面具有较广阔的应用前景。 目前海产品超高压处理研究主要集中在以下几个方面： 超高压灭菌贮存近年来由于追求海产品肉食生鲜者越来越多，从而受到了 浙江大学顼士学位论文 细菌和寄生虫疾病的严重威胁。孙秀琴h 3 1 等在国内外开创了将超高压应用于对鲜 鱼肉寄生虫和微生物灭杀效果的研究并取得了成功。经3 0 0 m p a 以上超高压处理 后的鱼肉不仅保持了生鲜风味和营养成分，而且可彻底杀灭鲜鱼中的寄生虫和微 生物。日本学者试验表明，贝类经过超高压杀菌处理，贮存起来是完全可行的。 用3 0 0 m p a 进行海胆杀菌效果很好，并且可以保持令人满意的生食状和食感。经 过超高压处理后的海产品其货架寿命也能够的得到有效延长【4 。 超高压速冻 4 5 】由于高压下水的凝固点均较常压下低，并在低于0 0 c 的温度 下形成一个水的不冻结区域。因此超高压下水特性的变化可以用于海产品的速冻 加工，即先将海产品加压到2 0 0 m p a ，再将温度降低到零下( 大部分是将温度降 到一1 8 0 c ) ，然后突然卸压。由于压力是在食品内部均匀分布的，卸压后就可以 保证整个食品物料都处于常压低温状态，使食品原料迅速结冰，生成的冰晶非常 细腻，海产品品质几乎不受影响，避免了普通冷冻工艺中传热不均匀的弊端。 鱼糜和水溶性蛋白高压处理凝胶化【4 6 】，【4 7 】 鱼糜是一种富含蛋白质，且低脂肪、低胆固醇、低热量的食品，其需求量非 常大。一般情况下采用鱼肉颜色较白和脂肪含量较低的鱼类作为鱼糜的原料，将 鱼糜超高压处理后即得到具有高弹性的凝胶。它与加热凝胶不同，其透明度、平 滑度、胶粘性，以及表面光色度等都会在很大程度上得到改善。尤其通过3 0 0 4 0 0 m p a 的高压处理，可得到很高的凝胶强度。 鱼肉中含有2 0 5 0 水溶性蛋白质，尤其红鱼肉中含量很高，是阻碍凝胶 形成的主要成分，所以经常在制造鱼糜时将其漂洗除去。将水溶性蛋白质进行高 压处理以后，只要用比其他蛋白质凝胶化更低的压力( 1 5 0 m p a ) ，即可得到凝胶。 超高压加工虾仁和海虾目前市场上只有鲜虾仁和冻虾仁，前者只能当天食 用，后者也因冰晶形成、失水等原因严重影响品质。若经过包装和热杀菌，则失 去鲜嫩的特点而无人消费。消费者食用海虾时的要求也和虾仁一样，就是鲜嫩。 目前除了冷冻与干制以外，尚无鲜嫩虾制品上市，其原因与虾仁一样。虾仁和海 虾经超高压处理以后，能够有效杀灭微生物而保持鲜嫩的口感，便于常温运输和 贮存。此外还可通过配方调味，开发方便的即食虾仁和海虾新产品。 超高压：n n - r 鲑鱼 冷熏鲑鱼是一种高营养价值的即食型食品。但由于加工工艺的原因，传统冷 熏鲑鱼含盐量较大，质地粗糙，味道太重，并不是一种理想的健康食品。超高压 浙江大学硕士学位论文 加工的鲑鱼可以免除以上的诸多缺点并能保证更好的食用安全和质量。李斯特菌 是影响到鲑鱼产业的主要问题。将烟熏和超高压工艺结合起来，再适当调整其它 工艺参数，就可以有效地防止鲑鱼感染李斯特菌h 引。目前超高压工艺对新鲜鲑鱼 及其相关产品的杀菌作用已经被证实，但是超高压加工对冷熏鲑鱼影响的研究还 没有展开。此外，研究表明超高压处理能提高鲑鱼鱼肉中的持水性 4 9 】，从而更好 地保证其质量和稳定性。 超高压加工牡蛎5 0 也】 牡蛎是食用海水中细菌的滤食动物，其中的s 形霍乱菌等能感染牡蛎等贝类 生命，甚至能引发疾病。目前对牡蛎主要采用冷冻杀菌方式，不但改变了牡蛎原 有的口味和质构，并且由于快速冷冻而缩短了牡蛎产品的货架期限。研究发现结 合不同的压力和时间处理可以消除牡蛎中的菌类。同时实验发现，超高压力能使 牡蛎松卸它们的肌肉纤维壳组织。经超高压处理加工后，牡蛎可以在不借助 任何去壳刀和锤的情况下很容易打开。因此，超高压不仅能够破坏和灭活牡蛎中 自然生长的病原体从而保证其食用安全，同时还能使牡蛎自动脱壳，保持了牡蛎 原有的外型和鲜嫩口感。 1 2 超高压食品加工装置 1 2 1 食品处理方式 超高压食品加工是一个冷等静压过程，根据所加工食品物料的性质不同，其 大致可以分为两种处理方式， 5 4 】： ( 1 ) 固态食品物料对于像果酱、果块等液体状和固体状的食品物料，经清 洗等前处理后再装入耐压、无毒、柔韧、可传递压力的软包装袋内进行真空软包 装，然后放入超高压容器内，加盖密封后向容器内加压并保压一段时间，最后卸 压开盖取出包装，即可得超高压成品，如图1 1 ( a ) 。 ( 2 ) 液态食品物料对于果汁一类的液态食品物料，将其用超高压泵送入超 高压容器中，加压到所确定的压力并保持一定时间，然后打开出口管路的截止阀 降压放出，再进行无菌包装，如图1 1 ( b ) 。液态食品物料也可以进行连续操作处 理，即泵不停地送入物料经过压力容器后再减压不断放出。据报道，日本已研制 出了能连续生产液态食品的管式超高压加工装置。 9 浙江大学硕士学位论文 前一种食品物料的处理方式对容器的要求显然要高于后一种，即要求容器必 须具有能够频繁快速启闭的封口装置。海产品加工方式大多数都属于前者。 3 a 食品被软包装b 被加工食品本身直接 置于超高压室进行受压处理作为传压介质并实现受压处理 ( 不连续加工) ( 半连续加工) 图1 1 超高压食品处理方式 1 一框架：2 一高压容器；3 一上盖；4 一高压水：5 - - 软包装食品； 6 一高压水入口；7 一减压水出口：8 - - 物料入口；9 一物料出口 1 2 2 食品加压方式 在容器内产生高压基本上有两种方式：一是外部加压式，即液压装置与超高 压容器分开，压力介质经配管送入高压容器内产生高压：二是内部加压式，即以 活塞直接加压或由液压装置推动活塞压缩超高压容器内压力介质产生高压。两种 加压方式如图1 2 所示【5 ”。 在外部加压方式中超高压容器和加压装置分离，压力介质经过增压泵加压后 通过高压配管将其送至高压容器内。超高压介质一般为水。因为水不仅成本低、 来源广，而且与气体相比无爆炸危险，能耗也小。外部加压方式产生高压介质有 两种方法，一种是直接用高压泵增压，另一种是先用低压泵将压力介质增压到几 或十几m p a ，然后再用增压泵增压到所需的压力。外部加压式装备结构紧凑，密 封部位固定、无损耗，超高压容器容量大，容积空间利用率高，相对造价低，密 封性能良好，适用于大中型装置。 内部加压式中超高压容器与液压缸配合工作。在液压缸向上的运动冲程中， 活塞将容器中的介质压缩产生超高压。在向下的运动冲程中，减压卸料。根据液 压装置与容器的连接形式又可分为分体型和一体型两种。前者的容器顶盖兼具活 塞功能，后者的液压装置与容器由高压活塞连成一体。内部加压式本体结构较大， 1 0 浙江大学硕士学位论文 毽不需商锺泵韶离基配管，整体镶好，其中戆分体型可聿主缝油污絷，适于逶力离、 容麓小的试验研究装置 5 6 1 。 外部加压式内部加压式( 分体型)内部加雁式( 一体型) 图1 2 高压装最的两种加压方式 1 一颚塞；2 一高压容器；3 一承压框檠：4 一高溉奔质进出口； 5 一液压缸；6 一高压活塞；7 高压油进出口 l 。2 3 超高压食品处理装置成耀现状 磊蘸超嵩疆食晶处理装置主嚣肖两释，鞠试验用装置和生产用装置口”。 试验用超高压装置试验用超高压处理装溉其加压方式一般采用内部加压 一体型，霹溜压装嚣推动活塞，纛按压缩容器处毽室内的压力分虞藏滚体食品， 故该装景可用于固、液态食品的超高压处理，并且这种加压方式可以获得较高的 处理压力，能满足各种实验的嚣力要求。试验雳越高压装嚣所嗣雁力贪震为纯净 水，与水接触的部分用高强度不锈钢制成；加压和保压时间均由自动控制系统控 制；处理塞的温度通过加热、冷却部件，可以在定的范围内自葫调节，以便进 褥不同的鹾力温度组合实验。试验躅超离压装置如图1 3 质示。 生产用超高压装置工业生产用装鬣处理量犬，必须考虑商业利益和产业化 潞瑟，黩j 琏：，其结捣与试验嗣小型设备有摄大区剐。生产瘸超离压装置采用姊部 加压式，简体一般为单层黢体锻造结构，这种结构有效容积大，适用于实际生产， 键随着浚餐容积的增加，设备重量急尉上升。困此，超离匿食品生产装鬟在内褰 积大型化时，应力求外体积小型化，总蘑量轻型化。后来发展的绕丝结构简体通 过在容器内筒以及支承椴架的周围缠绕商强度钢丝从而大幅度降低了容器重量， 在一定穗度上实现了设铬轻型化的目标【邓 ，如图1 。4 所示。 随赣超高压技术的成用，超高压食品处理设备新产品不断推出市场。日本是 趣高压技术发震鼹怏豹营家，蟊兹鑫压理纯研究机器特祝鄂制造鹣h p $ 一1 4 0 0 型号 浙江大学硕士学位论文 的超高压试验装置的压力窟达1 4 0 0 m p a ，生产用2 4 0 l 的高压食品设备已经研制成 功。美国f l o w 公司及其下属a v u r e 公司成功制造了容积3 2 0 l 、处理压力1 5 0 4 0 0 m p a 的q f p 3 2 0 l - 4 0 0 和容积2 t 5 l 、处理压力6 0 0 m p a 的超高压处理设备，同时 a v u i e 运籀造了酱藏容积最大的食品越赢篷娃理系统越8 8 7 l 系统。德国u h d e 公运生产的超菇压食品处理设蚕客积为5 0 l 3 0 0 l ，最商处理压力为7 0 0 m p a 。法 国a is t o m 公司最近已经开发了一种半连续性的食品加工设备，其循环时间魑 4 m i n ，最大压力为5 0 0 m p a 。上述大部分生产用超高压处理容器均采用预应力绕丝 简体和棰架结构。 馥1 3 试验厨趣高压设餐謦1 4 生产角趣窟压设餐 与因外超高压食品处理装鼹商业化相比，我国在这方面研究比较落后，并且 存在较大差距。国产的超高压加压设备、测量设备、安全附