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[摘 要]牛奶是一种营养价值极高的食品且其营养成分极易被人体吸收，也正因此牛奶成为微生物最好的培养基之一，因此在各种奶制品的生产过程中必须对原料奶进行杀菌处理。微波杀菌可使牛奶在短时问内达到杀菌要求，并对牛奶中主要营养成分、风味、色泽等都不会产生显著影响。本文设计了一种牛奶巴氏杀菌系统，并将微波加热技术应用于此系统，有效解决牛奶巴氏杀菌传热效率问题，保证使牛奶杀菌的同时能够让管内温度均匀，从而防止牛奶在管内变性、粘结等种种问题，为乳品安全和质量提升作出贡献，提高消费者对国产乳品的信心、也为国产乳品扩大市场、降低价格提供技术支持。
[关键词]牛奶；巴氏杀菌；微波；营养成分
中图分类号：TS252.41 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）15-0296-01
随着国民经济的发展和人民生活水平的提高，我国的乳制品生产、消费逐步取得进展，但与国际水平比有很大差距，与欧美比差距更大。我国牛奶人均消费很低受多种因素影响，除了收入水平、消费习惯外，高奶价、食品安全、国外乳品冲击也是重要原因。2014年乳企大量进口奶粉、低价收购甚至拒收原奶迫使奶农倒奶杀牛，导致原奶生产不能稳步增长，走高价战略使牛奶成为大众送礼的首选，导致普通群众牛奶消费不振等均进一步制约了中国乳品行业的发展。
牛奶巴氏杀菌系统系统研究有利于提高奶企的生产效率、降低非正常损耗和质量风险，对提高我国液态奶的生产质量、效益、竞争力，提高奶农、奶牛场、奶企效益，提升消费者的信心，扩大乳制品生产、消费，加快乳业发展，缩小与国际水平差距等有重要意义和作用。
一、 国内外牛奶巴氏杀菌系统加热装置存在的问题
目前，国内外液态奶生产线主流技术是板式换热巴氏杀菌、改良的巴氏杀菌或超级巴氏杀菌生产线。巴氏消毒乳是经低温长时间（62℃ ～65℃ ，保持30分钟）或经高温短时间（72℃～76℃ ，保持15秒；或80℃～85℃ ，保持10秒～15秒）处理方式生产的牛奶。为了达到杀菌温度，往往采用过高的水浴加热温度，而不同的牛乳的物料特性，特别是热敏性存在差距，导致以下难以克服的问题和缺陷：
⑴水浴温度高于管道内巴氏杀菌温度，管壁处温度高、温度梯度大，蛋白质易变性粘在管壁上形成污垢；
⑵管壁污垢降低传热效率，为保证杀菌温度而提高水浴温度（高达95℃甚至更高）使管壁处温度梯度更大变性、粘结更严重；
⑶部分管壁污垢剥离、脱落进入流通环节造成质量纠纷，既影响奶企的信誉、效益、市场，也影响了消费者对国产乳业的信心；
⑷清理不及时甚至可能导致变性蛋白质堵塞管道导致停产，造成停产停工和无谓浪费；
⑸为提高传热、传质效率对管道进行处理（内凸、波纹等），结构复杂更不利于清洗、消毒。
这些问题的存在为企业带来损失，企业就通过提高价格进行对冲。
二、 微波加热系统的特点
微波杀菌、保鲜是微波热效应和非热效应共同作用的结果。因此，微波杀菌温度低于常规方法，一般情况下，常规方法杀菌温度要120℃-130℃，时间约1小时，而微波杀菌温度仅要70℃-105℃，时间约90-180秒。
微波加热相比其它加热方法具有如下优点：
1、时间短、速度快。常规热力杀菌是通过热传导，对流或辐射等方式将热量从食品表面传至内部。要达到杀菌温度，往往需要较长时间。微波杀菌是微波能与食品及其细菌等微生物直接相互作用，热效应与非热效应共同作用，达到快速升温杀菌作用，处理时间大大缩短，各种物料的杀菌作用一般在3-5分钟。
2、低温杀菌保持营养成份和传统风味。微波杀菌是通过特殊热和非热效应杀菌，与常规热力杀菌比较，能在比较低的温度和较短的时间就能获得所需的消毒杀菌效果。实践表明，一般杀菌温度在75-80℃就能达到效果，此外，微波处理食品能保留更多的营养成份和色、香、味、形等风味，且有膨化效果。如常规热力处理的蔬菜保留的维生素C是46-50%，而微波处理是60-90%，常规加热猪肝维生素A保持为58%，而微波加热为84%。
3、节约能源。常规热力杀菌往往在环境及设备上存在热损失，而微波是直接对食品进行作用处理，因而没有额外的热能损耗。此外，其电能到微波能的转换效率在70-80%，相比而方，一般可节电30-50%。
三、 牛奶巴氏杀菌的微波加热装置系统设计
微波比其它用于辐射加热的红外线、远红外线等电磁波的波长更长，因此具有更好的穿透性。由于微波穿透力较强，微波加热可以实现对牛奶的快速加热。微波透入介质时，由于介质损耗引起的介质温度的升高，使介质材料内部、外部几乎同时加热升温，形成整体热源状态，大大缩短了常规加热中的热传导时间，当介质损耗因数与介质温度呈负相关关系时，物料内外加热均匀一致。微波加热不仅迅速，均匀。不需热传导过程，且具有自动热平稳性能，避免过热，而且安全卫生无污染，对食品的杀菌能力强。微波能是控制在金属制成的加热室内工作，所以微波泄露被有效的抑制，没有放射线危害和有害气体排放，不产生余热和粉尘污染。既不污染食物，也不污染环境。用微波辐射生物体时，除了产生微波热效应外，微波还能使生物体的生物活性得到抑制或激励，即微波有非热效应或生物效应。在相同温度条件下，微波对细菌的致死率远高于常规加热，其系统设计图所图1所示。
该装置提供一种受热均匀、操作简单、安全效果佳的牛奶巴氏杀菌系统微波加热装置。图中包括有底板、安装台、微波发射机、旋转电机Ⅰ、叶片Ⅰ、转盘、进料斗、管道Ⅰ、管道Ⅱ、单向阀、水泵、管道Ⅲ、水箱、管道Ⅳ、管道Ⅴ、管道Ⅵ、冷却箱、盘形管、管道Ⅶ、网板、旋转电机Ⅱ、转轴、叶片Ⅱ、收集箱和球形腔体，底板顶部从左至右依次设有安装台、水箱、冷却箱、和收集箱，安装台上设有加热装置和水泵。在微波状态下，水箱中的水受热，在电机和水泵作用下进入球形腔体，在旋转电机作用下使水进行加热并搅拌均匀后进入管道，管道中的水温将达到理想状态，在此过程中进行牛奶的巴氏杀菌，完成之后进行冷却降温，到达收集箱。
四、结论
通过在相同时间、相近温度下水浴与微波杀菌效果的比较，试验结果表明微波杀菌效率更高，认为微波杀菌存在热效应，并且在高温条件下微波杀菌比水浴杀菌具有更明显的优势，表明热效应与非热效应可协同作用。试验结果表明，随着微波功率的增大、牛奶质量的减小、杀菌时间的增长，菌落总数残留量均减小。大肠菌群仅在微波功率为4kW条件下完全杀灭，表明微波对大肠菌群有极好的杀灭效果。各因素对牛奶中蛋白质、乳糖、维生素C等营养成分均未造成明显破坏。
参考文献
【1】白希尧，陈天明，李明.2001.强电场和强磁场液体杀菌技术研究[J].物理.20（3）：171-175
【2】傅大放，周涛，钱科.2003.生物固体微波杀菌及机理研究[J].微波学报.19（4）：70-72.
[关键词]牛奶；巴氏杀菌；微波；营养成分
中图分类号：TS252.41 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）15-0296-01
随着国民经济的发展和人民生活水平的提高，我国的乳制品生产、消费逐步取得进展，但与国际水平比有很大差距，与欧美比差距更大。我国牛奶人均消费很低受多种因素影响，除了收入水平、消费习惯外，高奶价、食品安全、国外乳品冲击也是重要原因。2014年乳企大量进口奶粉、低价收购甚至拒收原奶迫使奶农倒奶杀牛，导致原奶生产不能稳步增长，走高价战略使牛奶成为大众送礼的首选，导致普通群众牛奶消费不振等均进一步制约了中国乳品行业的发展。
牛奶巴氏杀菌系统系统研究有利于提高奶企的生产效率、降低非正常损耗和质量风险，对提高我国液态奶的生产质量、效益、竞争力，提高奶农、奶牛场、奶企效益，提升消费者的信心，扩大乳制品生产、消费，加快乳业发展，缩小与国际水平差距等有重要意义和作用。
一、 国内外牛奶巴氏杀菌系统加热装置存在的问题
目前，国内外液态奶生产线主流技术是板式换热巴氏杀菌、改良的巴氏杀菌或超级巴氏杀菌生产线。巴氏消毒乳是经低温长时间（62℃ ～65℃ ，保持30分钟）或经高温短时间（72℃～76℃ ，保持15秒；或80℃～85℃ ，保持10秒～15秒）处理方式生产的牛奶。为了达到杀菌温度，往往采用过高的水浴加热温度，而不同的牛乳的物料特性，特别是热敏性存在差距，导致以下难以克服的问题和缺陷：
⑴水浴温度高于管道内巴氏杀菌温度，管壁处温度高、温度梯度大，蛋白质易变性粘在管壁上形成污垢；
⑵管壁污垢降低传热效率，为保证杀菌温度而提高水浴温度（高达95℃甚至更高）使管壁处温度梯度更大变性、粘结更严重；
⑶部分管壁污垢剥离、脱落进入流通环节造成质量纠纷，既影响奶企的信誉、效益、市场，也影响了消费者对国产乳业的信心；
⑷清理不及时甚至可能导致变性蛋白质堵塞管道导致停产，造成停产停工和无谓浪费；
⑸为提高传热、传质效率对管道进行处理（内凸、波纹等），结构复杂更不利于清洗、消毒。
这些问题的存在为企业带来损失，企业就通过提高价格进行对冲。
二、 微波加热系统的特点
微波杀菌、保鲜是微波热效应和非热效应共同作用的结果。因此，微波杀菌温度低于常规方法，一般情况下，常规方法杀菌温度要120℃-130℃，时间约1小时，而微波杀菌温度仅要70℃-105℃，时间约90-180秒。
微波加热相比其它加热方法具有如下优点：
1、时间短、速度快。常规热力杀菌是通过热传导，对流或辐射等方式将热量从食品表面传至内部。要达到杀菌温度，往往需要较长时间。微波杀菌是微波能与食品及其细菌等微生物直接相互作用，热效应与非热效应共同作用，达到快速升温杀菌作用，处理时间大大缩短，各种物料的杀菌作用一般在3-5分钟。
2、低温杀菌保持营养成份和传统风味。微波杀菌是通过特殊热和非热效应杀菌，与常规热力杀菌比较，能在比较低的温度和较短的时间就能获得所需的消毒杀菌效果。实践表明，一般杀菌温度在75-80℃就能达到效果，此外，微波处理食品能保留更多的营养成份和色、香、味、形等风味，且有膨化效果。如常规热力处理的蔬菜保留的维生素C是46-50%，而微波处理是60-90%，常规加热猪肝维生素A保持为58%，而微波加热为84%。
3、节约能源。常规热力杀菌往往在环境及设备上存在热损失，而微波是直接对食品进行作用处理，因而没有额外的热能损耗。此外，其电能到微波能的转换效率在70-80%，相比而方，一般可节电30-50%。
三、 牛奶巴氏杀菌的微波加热装置系统设计
微波比其它用于辐射加热的红外线、远红外线等电磁波的波长更长，因此具有更好的穿透性。由于微波穿透力较强，微波加热可以实现对牛奶的快速加热。微波透入介质时，由于介质损耗引起的介质温度的升高，使介质材料内部、外部几乎同时加热升温，形成整体热源状态，大大缩短了常规加热中的热传导时间，当介质损耗因数与介质温度呈负相关关系时，物料内外加热均匀一致。微波加热不仅迅速，均匀。不需热传导过程，且具有自动热平稳性能，避免过热，而且安全卫生无污染，对食品的杀菌能力强。微波能是控制在金属制成的加热室内工作，所以微波泄露被有效的抑制，没有放射线危害和有害气体排放，不产生余热和粉尘污染。既不污染食物，也不污染环境。用微波辐射生物体时，除了产生微波热效应外，微波还能使生物体的生物活性得到抑制或激励，即微波有非热效应或生物效应。在相同温度条件下，微波对细菌的致死率远高于常规加热，其系统设计图所图1所示。
该装置提供一种受热均匀、操作简单、安全效果佳的牛奶巴氏杀菌系统微波加热装置。图中包括有底板、安装台、微波发射机、旋转电机Ⅰ、叶片Ⅰ、转盘、进料斗、管道Ⅰ、管道Ⅱ、单向阀、水泵、管道Ⅲ、水箱、管道Ⅳ、管道Ⅴ、管道Ⅵ、冷却箱、盘形管、管道Ⅶ、网板、旋转电机Ⅱ、转轴、叶片Ⅱ、收集箱和球形腔体，底板顶部从左至右依次设有安装台、水箱、冷却箱、和收集箱，安装台上设有加热装置和水泵。在微波状态下，水箱中的水受热，在电机和水泵作用下进入球形腔体，在旋转电机作用下使水进行加热并搅拌均匀后进入管道，管道中的水温将达到理想状态，在此过程中进行牛奶的巴氏杀菌，完成之后进行冷却降温，到达收集箱。
四、结论
通过在相同时间、相近温度下水浴与微波杀菌效果的比较，试验结果表明微波杀菌效率更高，认为微波杀菌存在热效应，并且在高温条件下微波杀菌比水浴杀菌具有更明显的优势，表明热效应与非热效应可协同作用。试验结果表明，随着微波功率的增大、牛奶质量的减小、杀菌时间的增长，菌落总数残留量均减小。大肠菌群仅在微波功率为4kW条件下完全杀灭，表明微波对大肠菌群有极好的杀灭效果。各因素对牛奶中蛋白质、乳糖、维生素C等营养成分均未造成明显破坏。
参考文献
【1】白希尧，陈天明，李明.2001.强电场和强磁场液体杀菌技术研究[J].物理.20（3）：171-175
【2】傅大放，周涛，钱科.2003.生物固体微波杀菌及机理研究[J].微波学报.19（4）：70-72.