在日益升级的消费浪潮中，消费者对个性化、差异化乳制品的需求不断提高，而在发酵乳制品中添加果泥、带颗粒的果酱，获得吃得爽、嚼得到的直接感受，逐渐受到消费者的青睐和认可，成为液态食品增长的新动力、新方向。目前在发酵乳制品中添加果酱原料主要采用无菌双线法完成，采用独立的管式杀菌机分别处理基料及果酱原料后在线无菌混合，确保产品最佳杀菌效率；果酱原料属于非牛顿流体，其在超高温处理过程中在管道中的压力降主要为管道摩擦压力降、速度压力降及静压力降之和，物料的粘度、杀菌机流量、管径、弯头等均对其系统压力产生显著影响，同时由于不同类型的果酱其粘度存在显著差异，在产品设计及工业化转化过程中选择高粘度果酱易出现因系统压力升高，进料泵动力不足导致杀菌机断料，而选择低粘度果酱难以保证生产过程中颗粒的均匀性。因此，杀菌机系统压力降与果酱物料粘度的匹配性成为影响产品上市及后续生产成本的关键因素。

现代杀菌机不是只针对单一品种物料进行杀菌，往往一机多用，即同一杀菌机上完成多种产品的杀菌任务，这就需要杀菌机在设计时提出一个比较复杂的杀菌工艺，兼顾多个生产品种，以满足不同消费者对于不同口味的需求。因此，新产品上市过程中，往往需要对管式杀菌机进行改造，以满足不同粘度果酱生产需求。为满足高粘度酸奶在管式杀菌机内部的通过性，依据压降计算公式，可以通过降低管路长度或降低生产流量来实现。杀菌机管路和流量的调整，会影响果酱在杀菌机内部受热温度和受热时间，进而影响果酱中微生物灭活效果。因此，在对果酱管式杀菌机进行改造过程中，评估果酱受热情况，前提是确保产品安全，降低因微生物而引发的质量风险。

本研究依据管式杀菌机结构与基础物理学公式，构建果酱管式杀菌机系统压降和杀菌强度计算模型。通过对9种不同类型果酱动力学粘度进行检测，带入模型计算理论杀菌强度与压降。选择一种具有代表性的高粘度果酱，评估该果酱在管式杀菌机内的实际运行压降和杀菌强度，完成管式杀菌机适配性评估及改造。本研究为果酱与管式杀菌机的匹配性评估奠定理论基础及科学依据。

果酱江西奕方农业科技有限公司。

Rheolab QC旋转流变仪奥地利安东帕有限公司；果酱杀菌机。

选取不同粘度果酱使用UHT杀菌机进行杀菌，杀菌过程记录杀菌机整机的实际运行压力值、温度值和受热时间，用于模型搭建。

采用Anton Paar公司生产的Rheolab QC型旋转流变仪通过测量旋转扭矩和速度来测量果酱的粘度。由于果酱粘度受剪切速率、温度及压力等因素的影响，所以需要对果酱的动力粘度进行测定，进行分析时需选取合适的粘度回归模型。将冷藏果酱冷却至室温后，选择CC27型号测量夹具，采用79312型号四叶片防沉降桨式转子，此转子适合测量含颗粒物（>0.1mm）的有沉积倾向的样品。均匀采取果酱样品，移入测量夹具量杯中，添加至内部刻度线即可。设置预剪切1min，剪切速率设定为100s-1，每隔15s读取一次数据，共读取60个数据点，测定15℃升温至90℃过程中果酱的动力粘度曲线。

果酱经过杀菌机管路后的系统压降由三部分组成，分别为静压力降ΔPa，速度压力降ΔPN和摩擦压力降ΔPf。总压力降ΔP=ΔPa+ΔPN+ΔPf，不同压力降的计算方法如下：

式中：

Z1—管道始端标高，m;

Z2—终端标高，m;

u1—始端的果酱流速，m/s;

u2—终端的果酱流速，m/s;

u—果酱在管道内的平均流速，m/s;

ρ—果酱的密度，kg/m3;

λ—摩擦系数；

L—管道长度，m;

D—外管道内直径，m;

K—管件、阀门等阻力系数。

K的取值见表1。

一般情况下摩擦系数λ的取值与雷诺数Re有关，果酱杀菌过程属于在圆管内进行层流运动，因此λ的计算公式如下：

式中：

d—内管道内径，mm;

μ—果酱粘度，m Pa·s。

杀菌机杀菌过程中果酱物料被连续处理，果酱在管道内经历了升温、恒温和冷却三个主要过程，所受杀菌强度可依据以下公式进行计算;

式中：

T(t）—果酱冷点的温度，℃；

T(r）—杀菌标准温度，℃；

Z—微生物耐热性特征值，℃；

t—加热时间，s。

通常将Z值默认为10℃，此时当杀菌温度T(r）为121℃时，F值被称为标准F值，用F0表示。而T(t）果酱冷点的温度（℃）计算公式如下：

式中：

ti—某一段杀菌管路入口处的温度，℃；

x1—杀菌管路入口的时间，min;

x2—杀菌管路出口的时间，min;

y1—杀菌管路入口的温度，℃；

y2—杀菌管路出口的温度，℃。

为了便于理解，我们绘制了图1。图1为温度随时间变化趋势线，A点和B点分别为杀菌管路入口和出口；图1b中黑色阴影部分面积为从A点到B点整个升温过程累积杀菌强度。

果酱杀菌压降和杀菌强度计算模型采用R语言（4.2.0版本）编译，数据可视化采用R语言tidyverse包执行。

为了评估高粘度果酱在已有杀菌机内部压降值，本研究构建了果酱管式杀菌机压降计算模型。构建模型所用杀菌机基础管路信息见表2。该杀菌机与纯奶超高温杀菌机结构相比较为简单，共有5段管线，可实现果酱原料从8℃入口，到115℃杀菌，之后降低至25℃出口。此外，与纯牛奶杀菌机区别之处在于，所有管线结构均为套管，即外管内部仅有一根内管，这样的结构主要是为了满足颗粒型果酱在杀菌机内部的通过性。

本研究采用芒果燕麦果酱构建压降计算模型，首先对芒果燕麦果酱的动力粘度进行检测（图2a）。15℃条件下芒果燕麦果酱粘度8000m Pa·s，当果酱温度上升至90℃时，粘度下降至3000m Pa·s左右，表明温度对芒果果酱粘度影响显著。结合管式杀菌机结构，计算得到杀菌机每段管线压降，并绘制压降提升示意图（图2b），由图可知，芒果燕麦果酱在管式杀菌机内部合计压降为58bar。为验证模型计算结果准确性，本研究对芒果燕麦果酱进行生产线测试，芒果燕麦果酱在管式杀菌机内部压力运行曲线见图2c。由图可知，杀菌机管路内部PT10和PT31压力表合计压力达到59bar。理论计算压力与实际运行过程压力分别为58bar和59bar（图2d），计算误差为1.72%。综上，本研究构建的压降计算模型，可以准确地预测果酱在管式杀菌机内部的压降。

用于水果原料加工的果酱生产技术可能是影响最终产品质量的关键控制点。食品安全的概念是如果按照适当的用途制备和/或食用，食品不会对消费者造成伤害。管式换热器比板式换热器成本低，但前者每单位长度的管具有较低的热交换表面积，因此管式换热器管的长度是保证热传递的必要条件。热处理过程的计算取决于特定时间和温度范围内微生物的灭活。在恒定温度下将微生物种群减少10倍所需的时间称为该过程的D值，D值提供了微生物细胞或孢子耐热性的定量指标。根据参考温度下D值的倍数量化提供给食品原料杀菌强度的过程，也称为参考条件下的F值。我们计算了果酱管式杀菌机传热面积，该杀菌机传热面积达到29m2（图3b）。为评估杀菌机在处理果酱过程中微生物安全性，本研究采用前文构建的杀菌强度计算模型，计算果酱管式杀菌机的杀菌强度（图3a，图3c），由图可知当杀菌温度为107℃，参考温度为90℃，杀菌机流量为2m3/h时，整机杀菌强度为170min。

模型的验证通常被定义为从预期用途的角度确定模型在多大程度上是真实数据的准确表示过程。为评估压降和杀菌强度理论计算模型准确性，本研究检测了9种常温液态奶制品中添加的果酱粘度（图4a，图4b）。这些果酱根据其特性大致可分为两组：含颗粒/不含颗粒（或高粘度/低粘度）。从图4b可看出，9种果酱的粘度与温度相关性系数范围为：-0.75～-1，表明温度对果酱粘度影响显著。此外，含颗粒果酱动力粘度曲线平滑度和相关性系数较低，原因是粘度检测过程中不规则颗粒在粘度计夹具中挤压受力不均匀。其中，7#百香果酱的粘度最低，20℃时粘度不足100m Pa·s，最高的4#样品20℃时粘度为10000m Pa·s。两种果酱巨大的粘度差异会导致杀菌过程中压降差异（图4c）。可以看到，9种果酱在杀菌机内部相同时间流动过程中，理论压降范围为8.0bar～83.0bar。考虑到杀菌机管路设计承压最高不超过50bar，因此需要降低果酱的粘度，或对果酱管式杀菌机进行改造。

本研究对果酱管式杀菌机进行改造，以降低果酱杀菌过程中压降值。对于本研究涉及的管式杀菌机来说，静压力降ΔPa主要来自杀菌机进出口高度差，杀菌机进出口是为了满足上下游设备连接性，不具有改造可行性。由于杀菌机进出口流速基本一致，速度压力降ΔPN在实际计算中可以忽略。因此主要可通过调整ΔPf来降低总压降。由模型（1）可知，管路长度L和流速u对摩擦压力降影响显著。因此本研究对果酱杀菌机进行了改造（表3）。

相比于改造前，总管路长度减少84m，为了保证改造后杀菌强度不低于改造前，将生产流量由原来的2t/h调整为1.5t/h，改造前后杀菌强度可见（图5a，图5b）。模型构建后的验证是至关重要的，因为工业生产中依赖模型的计算结果来证明决策的合理性。本研究以黄桃燕麦果酱为原料，进行试产评估，以验证模型的准确性。我们监控了黄桃燕麦果酱在改造前后的管式杀菌机内部实际运行过程中的压降（图5c，图5d），结果显示：改造前系统总压降由67bar下降至48bar，可以满足系统管路承压需求，实现连续化生产。

综上，本研究提出的果酱管式杀菌机杀菌强度和压降理论计算模型，可以准确地评估果酱理论压降和受热强度，可用于指导管式杀菌机设备改造和生产可行性分析。

本研究强调了果酱杀菌过程杀菌强度和压降对于常温液态奶制品生产的重要性，并基于果酱管式杀菌机设备结构和基础物理学公式建立其计算模型。本研究首次公开了高粘度果酱管式杀菌机改造前后设备总压降和整机杀菌强度评估方法。基于这些计算模型和方法，生产企业无需进行额外的经济投入，即可完成果酱管式杀菌机设备改造前后压降和微生物安全性评估，并且这些理论和方法在本研究中进行了实践和验证。这些结论对深入了解管式杀菌机结构，实现果酱无菌化加工具有重要意义。