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1、2023/2/24,1,UHT牛奶加工的基 础知识,制作人：孟海鹏,2023/2/24,2,UHT奶（灭菌奶）概要,灭菌是对产品进行足够强度的热处理，使产品中的微生物和耐热酶类失去活性。灭菌产品可以在室温下长时间贮存。因而产品可远距离开辟新的市场。不需冷藏给生产商、零售商和消费者带来便利。,销售半径,饮用场合,一次购买力,数量,保质期,运输成本,项目,巴氏奶,UHT奶,2023/2/24,3,商业无菌,UHT 处理的产品也经常被说成是“商业无菌”的。商业无菌的含义是在一般贮存条件下，产品中不存在能够生长的微生物。,2023/2/24,4,长期保存鲜奶的生产,长期保存鲜奶的生产的生产有两种方法：
2、A 灌装后灭菌，产品和包装（罐）一起被加热到约116，保持20min，环境温度贮存。B 超高温（UHT）处理，产品被加热到135-150，保持4-15s，随后将乳进行无菌灌装，包装保护产品不接触光线和空气中的氧。,2023/2/24,5,常见的UHT 产品,新鲜及再制液体奶 浓缩乳 稀奶油 风味乳饮料 发酵乳制品(酸奶，酪乳等）乳清饮料 冰淇淋混合料 甜食（蛋奶沙司和布丁）蛋白饮料、豆乳饮料 婴儿食品 果蔬汁、饮料汤类、沙司、果菜泥类、佐料类、营养液类,2023/2/24,6,UHT原料奶质量,以下几种牛乳不适宜进行UHT 处理：A、蛋白质稳定质量已变酸的牛奶盐平衡失常含有过高血浆蛋白-初乳通
3、过75%酒精实验鉴定Pr不稳定的牛乳B、微生物质量含有过高数量的嗜冷菌（耐热酶类）含有过高数量的细菌总数、芽孢数,2023/2/24,7,灭菌效率：,F。值：产品在121.1C 加热一分钟其F=1。从优质原乳加工到商业无菌乳要求F。值最低需为56。细菌效果B*：经135，10.1 秒处理产品达到商业无菌水平。在加工过程下，如果对应的每单位产品耐热芽孢的减少值为109，则此时B*值等于1.0。化学效果C*：135和30.5秒的处理后每单位的硫胺素（VB1）有3%的失活。当满足下列条件时，经UHT 加工即可获得满意的产品保存质量:B*1、C*1,2023/2/24,8,最快颗粒,在一些国家（尤其美
4、国），对产品在保持或保温管内的停留时间非常重视，特别是对于“最快颗粒”的保温时间。决定于液体的流动形式（层流或湍流），牛乳的被加热处理的效率因数为0.85-0.9。在计算保温时间时要用效率因数对保温时间加以校正。在一些特殊情况下，美国人认定最快颗粒通过保持管的速度比平均颗粒快两倍。,2023/2/24,9,常见加热灭菌时间/温度曲线图,直接和间接UHT 处理的温度曲线,罐内灭菌的温度曲线图,2023/2/24,10,时间/温度配合效果,牛奶加工效率和芽孢失活限制线，括号内的数值（30和55）分别对应为芽孢生成菌的营养细胞的最适生长温度来源：Kessier,2023/2/24,11,上图表示出了
5、灭菌效率和褐变反应之间的关系。A线所示是能够引发牛奶褐变的时间/温度组合的低限。B 线所示是完全灭菌（杀灭耐热芽孢）所要求的时间/温度组合的低限。罐内灭菌和UHT 处理区域也在图中标示出来了。从图可以看出，两种加工方法的在取得相同灭菌效率的同时，化学反应却存在着相当大的差别：褐变反应程度和维生素和氨基酸降解的程度差别很大。在较低的热负荷下，两种方法化学效应上的差别要小得多。这就是为什么UHT 奶比罐内灭菌乳（二次灭菌乳）的滋味和营养价值要好的原因。,时间/温度配合图解,2023/2/24,12,货架期,货架期的定义是产品能够贮存的时间，在贮存期内产品质量不会低于一个可接受的最低水平。这一货架期
6、的概念有一定主观性。限制货架期理化因素：凝胶化、粘度增加、沉淀和脂肪上浮。限定货架期感观因素：滋味，气味和颜色的变败。,2023/2/24,13,营养价值,UHT 处理对牛奶组分影响情况概述如下：组分 热效应 脂肪 无变化 乳糖 临界变化 蛋白质 乳清蛋白部分变性 矿物质 盐类部分沉淀 维生素 临界损失脂肪、矿物质的营养价值没有变化，但蛋白质和维生素的营养价值有极微量的改变。UHT奶、巴氏杀菌乳赖氨酸的损失为0.4-0.8%，二次灭菌乳的损失值为6-8%。,2023/2/24,14,UHT 的发展,路易斯巴氏德很早就进行瓶装奶的无菌实验约1960年无菌加工和无菌罐装技术商业化第一台UHT 设备
7、的加热方式为“直接蒸汽注射”大约十年后，第一台直接灭菌设备设入了市场。,蒸汽喷射喷嘴,2023/2/24,15,高酸产品的商业无菌处理,低酸乳品(pH4.5）和高酸产品（pH4.5）都能在UHT设备中进行处理。产品芽孢不能在高酸产品如果汁中生长，因此，含酸产品的热处理以达到能够杀死霉菌和酵母菌的强度即可。一般高温巴氏杀菌（90-95，15-30s）即已足够使高酸产品达到商业无菌。,2023/2/24,16,UHT的四个操作阶段：,UHT 的四个操作阶段：,设备预杀菌,生产,ALC(无菌中间清洗）,CIP（就地清洗）,2023/2/24,17,UHT的四个操作阶段：,预灭菌生产之前设备必须灭菌，
8、以避免经灭菌处理后的产品被再污染，预灭菌包括:与生产温度相同的热水灭菌必须进行。热水灭菌的最短时间为30min，自达到适宜温度的某一瞬间到设备中所有部件都达到温度要求。设备冷却至生产要求的条件。,2023/2/24,18,UHT的四个操作阶段：,生产生产情况依不同的加工有所区别，后文详述。,2023/2/24,19,UHT的四个操作阶段：,无菌中间清洗完全CIP循环通常在生产结束时立即进行，需7090分钟，在生产中无菌中间清洗是非常有益的。当设备长时间运转，无论何时需要除掉生产系统中的沉积，而又不破坏无菌条件时都可以进行一次30 分钟的AIC。设备在AIC 之后不必重新灭菌，这一方法节省了停机
9、时间并使生产时间延长。,2023/2/24,20,UHT的四个操作阶段：,CIP直接、间接UHT设备的CIP 循环可包括如下程序，预洗，碱洗，加水漂洗，酸洗和最后漂洗，按预定的时间/温度，程序全部自动化控制。CIP 程序必须适应不同的乳品对操作条件的要求。,2023/2/24,21,不同的UHT 系统,直接系统：在“直接系统”中，产品进入系统后与加热介质直接接触，随之在真空缸中闪蒸冷却，及最后间接冷却至包装温度，直接系统可分为：A：蒸汽注射系统(蒸汽注入产品)右图B：蒸汽混注系统(产品进入充满蒸汽的罐中)右图,2023/2/24,22,不同的UHT系统,间接系统：在“间接系统”中，热量从加热介
10、质中通过一个间壁(板片或管壁)传送到产品中。间接系统可分为：板式热交换器右图管式热交换器右图刮板式热交换器右图,2023/2/24,23,竞争,2023/2/24,24,板式换热器和蒸汽注射UHT设备,板式换热器和蒸汽注射UHT设备,2023/2/24,25,板式换热器和蒸汽注射UHT设备,1a 牛乳平衡槽 1b 水平衡槽2 供料泵 3 板式热交换器4 正位移泵 5 蒸汽喷射头6 保持管 7 蒸发室8 真空泵 9 离心泵10 无菌均质机 11 无菌罐12 无菌灌装,2023/2/24,26,在图9.17 的流程图上，由平衡槽提供的大约4的产品通过喂料泵（2）流至板式热交换器（3）的预热段，在预
11、热至80时，产品经泵（4）加压至约4bar，并继续流动至环形喷嘴蒸汽注射器（5），蒸汽注入产品中，迅速将产品温度提升至140（4bar的压力预防产品沸腾）。产品在UHT温度下于保持管中(6)保温几秒钟，随后闪蒸冷却。,板式换热器和蒸汽注射UHT设备,2023/2/24,27,板式换热器和蒸汽注射UHT设备,闪蒸冷却在装有冷凝器的蒸发室（7）中进行，由泵（8）保持蒸发室部分真空状态。控制真空度，保证闪蒸出的蒸汽量等于蒸汽最早注入产品的量。一台离心泵将UHT 处理后的产品送入二段无菌均质机（10）中。,2023/2/24,28,由板式热交换器（3）将均质后的产品冷却至约20，并直接连续送至无菌灌装
12、机灌装或一个无菌罐进行中间贮存以待包装。冷凝所需冷水循环由平衡槽（16）提供，并在离开蒸发室（7）后作经蒸汽加热器加热后预热介质。在预热中水温降至约11，这样，此水可用作冷却剂，冷却从均质机流回的产品。,板式换热器和蒸汽注射UHT设备,2023/2/24,29,在生产中一旦出现温度降低，产品即过一个附加冷却段后流至夹套缸，系统自动被水充满，随设备被水漂洗后，在再次开始生产之前系统进行完全清洗（CIP）灭菌。设备一般具有2000-30000L/h 的生产能力。,板式换热器和蒸汽注射UHT设备,2023/2/24,30,管式热换器和蒸汽注射器UHT设备,2023/2/24,31,1 平衡槽 2 供
13、料泵3 管式热交换器 3a 预热段3b 补偿冷却器 3c 加热段3d 最终加热段 3e 冷却段3f 冷却段 3g 转向冷却器4a 保持管 5 蒸汽喷射头6 蒸发室 7 真空泵8 无菌均质机 9 无菌缸10 无菌灌装,管式热换器和蒸汽注射器UHT设备,2023/2/24,32,当要处理的产品为含有或不含有颗粒或纤维的低中粘度产品时，要变化以上的设计，即将板式热交换器换为管式热交换器。系统经预灭菌的在冷却至约25后，约4的牛乳流入管式热交换器（3）中预热至约95，（3a 和3c 段），经保持管（4a）稳定蛋白质后，牛乳被进一步间接加热(3d)。,管式热换器和蒸汽注射器UHT设备,2023/2/24
14、,33,蒸汽注射使温度迅速升高至140150，牛乳在此温度下保持数秒（4b）后冷却，预冷却在管式热交换器（3e）中进行，其中的热能被用于再生加热，注射入产品中的蒸汽在真空室中以蒸汽形式被闪蒸掉（6），同时温度降至80。在闪蒸之前的预冷却段不仅使热能得到回收的同时，也减少了牛乳的香味损失。经无菌均质（8）之后，牛乳经热回收（3f）冷却至包装温度约20，并进行无菌灌装，或进入无菌缸中进行中间贮存。,管式热换器和蒸汽注射器UHT设备,2023/2/24,34,加热和冷却介质在各自水循环管路中循环。由其提供加工过程中热交换器各段的能量。少量的蒸汽的喷入补偿了正常生产过程中所要求的能量。生产过程中温度降
15、低，产品回流至夹套缸，设备中充入水。在重新开始生产之前设备必须清洗和灭菌。,管式热换器和蒸汽注射器UHT设备,2023/2/24,35,蒸汽混注的直接UHT 设备,此系统与蒸汽直接喷射系统的主要不同在于它是牛乳和蒸汽同时进入。蒸汽混注的基本原理是让产品通过蒸汽气层以加热产品，图9.19 所示。产品喷射系统可以改变，但乳滴尺寸必须均匀，以保证换热效率均匀。假如液滴的大小不稳定，那么该系统就破坏了原始设计的理论模型。除此以外，生产过程与蒸汽喷射系统类似。,2023/2/24,36,板式换热器的间接UHT 设备,2023/2/24,37,板式换热器的间接UHT 设备,间接加热类型的UHT设备生产能力
16、可高达30000L/h，图9.20所示为一典型流程图,2023/2/24,38,板式换热器的间接UHT 设备,约4的产品由贮存缸泵送至UHT 系统的平衡槽（1），由此经供料泵（2）送至板式热交换器的热回收段。在此段中，产品被已经UHT处理过的乳加热至约75，同时，UHT 乳被冷却。预热后的产品随即在1825Mpa（180250bar）的压力下均质。在间接UHT设备中可在UHT 处理前进行均质，亦即意味着可使用非无菌均质机，然而，在下游最好再使用一台无菌均质机，因为其可以提高一些产品如稀奶油的组织和物理稳定性,2023/2/24,39,板式换热器的间接UHT 设备,预热均质的产品继续到板式热交换
17、器的加热段被加热至137，加热介质为一封闭的热水循环，通过蒸汽喷射头（5）将蒸汽喷入循环水中控制温度。加热后，产品流经保温管（6），保温管尺寸大小保证保温时间为4 秒钟。,2023/2/24,40,板式换热器的间接UHT 设备,最后，冷却分成两段进行热回收：首先与循环热水的换热，随后与进入系统的冷产品换热，离开热回收段后，产品直接连续流至无菌包装机或流至一个无菌缸做中间贮存。生产中若出现温度下降，产品会流回夹套缸，设备中充满水，在重新开始生产之前，设备必须经清洗和灭菌,2023/2/24,41,管式热交换器的间接UHT 设备,2023/2/24,42,管式热交换器的间接UHT 设备,1 平衡槽
18、2 供料泵3 管式热交换器3a 预热段3b 中间冷却段3c 加热段3d 热回收冷却段3e 启动冷却段4 非无菌均质机5 保持管6 蒸汽喷射类7 无菌缸8 无菌灌装,2023/2/24,43,管式热交换器的间接UHT 设备,管式系统被选用于含有或不含有颗粒或纤维的低或中等粘度的产品的UHT处理。中等粘度一词是一个广义概念，因为一个产品的粘度可随原材料、添加剂和机械处理而变化。汤类、西红柿产品、果汁和蔬菜产品、一些布丁和甜食是一些中等粘度产品的例子，也即适用于管式处理。管式系统也经常用于一般市乳产品的要求加工以延长加工运转时间。,2023/2/24,44,管式热交换器的间接UHT 设备,其加工原理
19、，如图9.23 所示，与上述板式热交换器UHT 设备没有多大差别。设备生产能力在1000-30000L/h。管式热交换器由一些管集束成模件，串联或并联连接，形成一完整的最佳系统，以完成加热或冷却的任务。这一系统也可完成分散加热任务。当生产中温度降低时，产品回流至夹套缸，清水注满设备，在生产重新开始前，必须进行清洗和灭菌。,2023/2/24,45,刮板式热交换器间接UHT设备,2023/2/24,46,刮板式热交换器间接UHT设备,1 产品缸2 正位移供料泵3 刮板式热交换器3a 预热段3b 最终加热段3c 冷却段3d 冷却段4 保持管5 正位移泵6 无菌缸7 无菌灌装,2023/2/24,4
20、7,刮板式热交换器间接UHT设备,刮板式热交换器是最适宜处理含有或不含有颗粒的高粘度食品的UHT 设备。刮板系统以一系列适宜的热交换器为基础，其典型的流程图见图9.24。鉴于各个产品的物理特性的广泛差异，无法设定特定的小时生产能力及温度程序。产品由缸（1）经喂料泵（2）泵送至第一个刮板式热交换器（3a），另一个加热段（3b）也可用于将产品温度升高至要求的温度，加工线上每一段要安装监测器检查这些温度是否达到。,2023/2/24,48,刮板式热交换器间接UHT设备,保持管（4）保持产品在需要的温度下经过一设定长度的时间段，随后产品用水（3c 和3d）和冰水（3e）冷却到包装温度。最后，冷却的产品
21、泵送至一个无菌缓冲缸（6），由此罐提供一连续生产线与包装系统之间的缓冲容积。如果达不到预设值的要求，系统自动打开回流阀，产品直接回流至回收缸中。,2023/2/24,49,无菌罐,2023/2/24,50,无菌罐,如果包装机中有一台意外停机，无菌罐用于照应停机期间的剩余产品。两种产品同时包装，首先将一个产品贮满无菌罐，足以保证整批包装，随后，UHT 设备转换生产另一种产品并直接在包装机线上进行包装。产品由UHT设备直接进行包装，UHT 系统要求有一个不少于300立升的产品回流，产品回流循环可以保持灌装的压力的稳定。对过度处理敏感的产品不能使用这一回流，这时就必须由无菌罐来提供灌装机的流量压力要
22、求。,2023/2/24,51,无菌包装,无菌包装被定义为一个过程，该过程包括包装材料或容器的灭菌，在无菌环境下灌入商业无菌产品，并形成足够紧密防止再污染的包装容器，比如密封封口。由于产品要求在非冷藏条件下具有长货架期，所以包装也必须提供完全防光和防氧气的保护。这样长期保存鲜奶的包装需要有一个薄铝夹层，其夹在聚乙烯塑料层之间。“无菌”一词意味着产品、包装或其他特定区域中不存在或去除任何的微生物；“密封”一词用于表示适宜的机械特性，即不使任何细菌进入包装中或更严格地讲，防止微生物和气体或蒸汽进入包装。,2023/2/24,52,包装和实施,产品包装讨论形状系数、价格、外观、策略讨论与产品异步推出的项目的履行问题成本概述产品成本和高层次的材料单,
