基于脉冲放电等离子体的液态瓶装食品杀菌装置及方法

1.本发明涉及一种采用脉冲放电结合超声振荡来实现液态瓶装食品杀菌的技术，属于食品杀菌技术领域。


背景技术：

2.传统的液态食品杀菌使用的杀菌方法主要为热杀菌技术，先后开发了高温短时、超高温、微波杀菌、欧姆加热等热力杀菌技术。但热力杀菌技术也存在一些难以克服的问题，若加热杀菌的温度较低,则会因杀菌不足而导致产品的腐败变质；若加热杀菌的温度过高，则会使乳制品中的营养成分受到破坏，风味劣变、产生热臭，对乳制品的营养价值及滋味、风味产生一些副作用。热处理在加热过程中也会发生风味的变化，主要会产生蒸煮味。热处理程度不同，产生的加热异味类型也有所差异，高温处理后则会产生可能氧化成易挥发的硫化氢，它是刚加热过的牛乳的特征性味道。可见，由于该技术在高温条件下进行，对食品中营养成分具有十分严重的热破坏作用，特别是热敏性食品，破坏更加严重。
3.为了解决热杀菌技术存在的缺陷，引入了高压脉冲电场技术，高压脉冲电场技术与热杀菌相比，具有显著的优点是处理温度低，可以在常温下或更低的温度下进行杀菌。现有高压脉冲杀菌的方式一般为：将待灭菌液态食品采用泵送等方式，流经高压脉冲电场，所述高压脉冲电场是指在不产生放电弧的前提下，在放电电极上施加高压脉冲，产生高压脉冲电场，从而产生场作用和电离作用，从而达到杀菌目的，然后再装瓶封盖。这种方式需在装瓶前增设一个新的工艺步骤：令液态食品流经高强脉冲放电场，虽然该工艺步骤为杀菌步骤，但是杀菌完成后再装瓶封盖仍存在液态食品在装瓶过程中被污染的可能性。
4.因此，针对以上不足，需要提供一种能够对装瓶封盖后的液态食品进行脉冲杀菌的技术。


技术实现要素：

5.针对现有采用高压脉冲通道对液态食品杀菌再装瓶封盖仍存在被污染风险的问题，本发明提供一种基于脉冲放电等离子体的液态瓶装食品杀菌装置及方法。
6.本发明所述基于脉冲放电等离子体的液态瓶装食品杀菌装置，包括脉冲放电电源1、放电夹持部2和超声波振荡器3；一对放电夹持部2夹持包装瓶5并将其放置于超声波振荡器3提供的超声环境中，脉冲放电电源1为放电夹持部2输出高压脉冲提供电源；
7.一对放电夹持部2放电在瓶内形成放电弧，在液态食品中生成等离子体杀菌物质，使包装瓶5内的液态食品被电离杀菌；包装瓶5内的液态食品在超声波作用下流动，使得等离子体杀菌物质扩散以实现整瓶杀菌。
8.优选地，放电夹持部2包括放电电极201和夹持部202；
9.夹持部202包括夹持头2021、圆柱形保护壳体2023、前端密封盘2022、限位档盘2024和后端密封盘2025，夹持头2021具有与包装瓶5曲面贴合的内弧面，夹持头2021外端面与圆柱形保护壳体2023连接，圆柱形保护壳体2023的前端口、内腔及后端口依次设置有前
端密封盘2022、限位档盘2024和后端密封盘2025，夹持头2021及前端密封盘2022、限位档盘2024、后端密封盘2025具有连通的中心通孔；
10.放电电极201包括球形放电头2011、放电柱2012、挡盘2013和弹簧2014，放电柱2012贯穿夹持头2021、前端密封盘2022和限位档盘2024的中心通孔，放电柱2012的前端设置有球形放电头2011，放电柱2012的后端通过耐高压电线4与脉冲放电电源1连接，放电柱2012的中段设置有挡盘2013，所述挡盘2013设置于前端密封盘2022内侧壁，用于限制放电电极201从圆柱形保护壳体2023脱离；挡盘2013与限位档盘2024之间设置弹簧2014，弹簧2014使球形放电头2011压紧包装瓶5，以及放电完成后复位。
11.优选地，放电电极201采用卫生级不锈钢材料，夹持部202采用高压绝缘材料。
12.优选地，超声波振荡器3包括振荡槽301和超声波振子302，振荡槽301内设置有水，被夹持的包装瓶5被置于振荡槽301的水中，超声波振子302为振荡槽301水中的包装瓶提供超声波振荡源。
13.优选地，包装瓶5的底部浸入超声波振荡器3液体中，浸入高度为3-5cm。
14.优选地，包装瓶5采用非金属材料。
15.优选地，包装瓶5采用塑料、玻璃或陶瓷。
16.本发明还提供另一个技术方案：基于脉冲放电等离子体的液态瓶装食品杀菌方法，本方法利用权上述装置实现，该方法包括以下步骤：
17.步骤一、利用两个放电夹持部2将包装瓶5夹紧，放电夹持部2中的球形放电头2011压紧包装瓶5，所述放电夹持部2夹持包装瓶5上半部瓶身；
18.步骤二、夹持包装瓶5将其底部放置于振荡槽301的水中；
19.步骤三、同时打开脉冲放电电源1和超声波振荡器3，两个球形放电头2011放电在包装瓶5内的液态食品中形成放电弧，超声波振荡器3发出的超声波同步作用于液态食品上使其流动，将等离子体杀菌物质扩散，持续处理0.1～1min，实现对整瓶液态食品的高压脉冲杀菌。
20.优选地，该方法还包括以下步骤：
21.步骤四、利用两个放电夹持部2将包装瓶5移出超声波振荡器3，松开两个放电夹持部2，将杀菌处理完成的包装瓶5放到成品区，按步骤一至步骤三对下一个液态瓶装食品进行杀菌操作。
22.本发明的有益效果：本发明对装瓶封盖后的瓶内液态食品采用高压脉冲放电杀菌，本发明设计的对包装瓶的夹持装置中配备一对放电头，可在瓶内的液态食品中放电形成放电弧，该放电弧作用于液体及液体中的气体使其电离，产生
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o、h2o2等具有强氧化作用的活性自由基物质，对致病菌和致腐菌等产生氧化致死作用，从达到杀菌的目的。但一对放电头由于其尺寸小，形成的放电弧也相应的小，其杀菌范围受限，并不能达到对整瓶液态食品杀菌的目的，因此，本发明的创新点在于采用脉冲放电等离子体技术对包装后液态食品进行杀菌，同时引入超声振荡技术，利用超声波使瓶内液态食品流动，令放电弧形成的等离子体杀菌物质扩散，扩大杀菌范围，达到整瓶杀菌的效果，经实验验证，本发明装置对大肠杆菌杀菌率大于99％。
23.利用本发明的脉冲放电等离子体的液态瓶装食品杀菌技术进行液态瓶装食品杀菌处理时，具有高效率、低成本、营养成分损失少的优点。
附图说明
24.图1是本发明所述基于脉冲放电等离子体的液态瓶装食品杀菌装置的结构示意图；
25.图2是放电夹持部的结构示意图，正视图；
26.图3是放电夹持部夹持包装瓶的结构示意图，俯视图。
27.图中，
28.1、脉冲放电电源；
29.2、放电夹持部：
30.201、放电电极，2011、球形放电头，2012、放电柱，2013、挡盘，2014、弹簧；
31.202、夹持部，2021、夹持头，2022、前端密封盘，2023、圆柱形保护壳体，2024、限位挡盘，2025、后端密封盘；
32.3、超声波振荡器：
33.301、振荡槽，302、超声波振子；
34.4、耐高压电线；
35.5、包装瓶。
具体实施方式
36.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
37.需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
38.下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
39.具体实施方式一：下面结合图1至3说明本实施方式，本实施方式所述基于脉冲放电等离子体的液态瓶装食品杀菌装置，包括脉冲放电电源1、放电夹持部2和超声波振荡器3；一对放电夹持部2夹持包装瓶5并将其放置于超声波振荡器3提供的超声环境中，脉冲放电电源1为放电夹持部2输出高压脉冲提供电源；
40.一对放电夹持部2放电在瓶内形成放电弧，在液态食品中生成等离子体杀菌物质，使包装瓶5内的液态食品被电离杀菌；包装瓶5内的液态食品在超声波作用下流动，使得等离子体杀菌物质扩散以实现整瓶杀菌。
41.包装瓶5采用非金属材料，可以是塑料、玻璃或陶瓷。
42.放电夹持部2包括放电电极201和夹持部202；本实施方式中的放电夹持部2既作为放电部又作为夹持部，利两个放电夹持部2夹持包装瓶5的上半部，对其内部进行放电。
43.其中，夹持部202包括夹持头2021、圆柱形保护壳体2023、前端密封盘2022、限位档盘2024和后端密封盘2025，夹持头2021具有与包装瓶5曲面贴合的内弧面，夹持头2021外端面与圆柱形保护壳体2023连接，圆柱形保护壳体2023的前端口、内腔及后端口依次设置有前端密封盘2022、限位档盘2024和后端密封盘2025，夹持头2021及前端密封盘2022、限位档盘2024、后端密封盘2025具有连通的中心通孔；
44.其中，放电电极201包括球形放电头2011、放电柱2012、挡盘2013和弹簧2014，放电柱2012贯穿夹持头2021、前端密封盘2022和限位档盘2024的中心通孔，放电柱2012的前端设置有球形放电头2011，放电柱2012的后端通过耐高压电线4与脉冲放电电源1电连接，放电柱2012的中段设置有挡盘2013，所述挡盘2013设置于前端密封盘2022内侧壁，用于限制放电电极201从圆柱形保护壳体2023脱离；挡盘2013与限位档盘2024之间设置弹簧2014，弹簧2014使球形放电头2011压紧包装瓶5，以及放电完成后复位。
45.放电电极201采用卫生级不锈钢材料，夹持部202采用高压绝缘材料。球形放电头2011为球形既利于放电又不损伤包装瓶。
46.圆柱形保护壳体2023既起到对放电电极201的保护作用，又为夹持头2021、前端密封盘2022、限位挡盘2024、后端密封盘2025的安装提供支撑。前端密封盘2022、限位档盘2024、后端密封盘2025中间开有圆孔，方便放电电极201的安装和滑动。
47.夹持头2021的内弧面形状与包装瓶5的曲面形状相同，其目的是为了夹住包装瓶5，球形放电头2011从夹持头2021的中心通孔伸出，初始位置时，球形放电头2011超出夹持头2021人内弧面，在夹持包装瓶5的状态下，球形放电头2011紧顶在包装瓶5上，球形放电头2011位置后移，挡盘2013随同后移并稍离开前端密封盘2022一小段位置，此时弹簧2014被压缩，由于弹簧2014安装于挡盘2013与限位档盘2024之间，因此在限位档盘2024的作用下不会从后端脱离，放电时，球形放电头2011可缩入夹持头2021中间孔中，夹持头2021将球形放电头2011密封封闭，防止球形放电头2011漏电，在放电结束后，松开夹持部202，则放电柱2012在弹簧2014复位回弹力作用下带动球形放电头2011复位。
48.本实施方式将夹持与放电集成在一个部件中使杀菌时操作方便，减少工艺流程。
49.超声波振荡器3包括振荡槽301和超声波振子302，振荡槽301内设置有水，被夹持的包装瓶5被置于振荡槽301的水中，超声波振子302为振荡槽301水中的包装瓶提供超声波振荡源。
50.包装瓶5的底部浸入超声波振荡器3液体中，浸入高度为3-5cm。
51.杀菌过程：
52.已装瓶封盖操作的包装瓶5中充满液态食品，在这种状态下执行本实施方式提供的杀菌操作方案，首先利用两个放电夹持部2夹持包装瓶5，然后将其放置于振荡槽301中，仅将包装瓶5底部浸入超声波振荡器3液体中，即包装瓶上半部作为放电区，底部作为超声区，放电与超声同步进行，参见图1，两个相对放置的球形放电头2011在包装瓶5内的液体中放电产生放电弧，使被作用液体以及液体中气体被电离，产生
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o、h2o2等具有强氧化作用的活性自由基物质，对致病菌和致腐菌等产生氧化致死作用，从达到杀菌的目的。本实施方式杀菌利用放电弧(有别于高压脉冲电场方式)，但一对球形放电头2011由于其尺寸小，形成的放电弧也相应的小，其杀菌范围受限，并不能达到对整瓶液态食品杀菌的目的，因此，本发明的创新点在于采用脉冲放电等离子体技术对包装后液态食品进行杀菌，同时引入超声振荡技术，在形成放电弧的同时开启超声波振荡器3，利用超声波使瓶内液态食品流动，令放电弧形成的等离子体杀菌物质扩散，扩大杀菌范围，达到整瓶杀菌的效果。
53.实施例：脉冲放电电源1的放电电压0-150kv，脉冲宽度5μs，脉冲频率0～800hz，处理时间0.1-1min，对大肠杆菌杀菌率大于99％。
54.具体实施方式二：本实施方式所述基于脉冲放电等离子体的液态瓶装食品杀菌方
法，本方法利用权利要求4所述装置实现，其特征在于，该方法包括以下步骤：
55.步骤一、利用两个放电夹持部2将包装瓶5夹紧，放电夹持部2中的球形放电头2011压紧包装瓶5，所述放电夹持部2夹持包装瓶5上半部瓶身；
56.步骤二、夹持包装瓶5将其底部放置于振荡槽301的水中；
57.步骤三、同时打开脉冲放电电源1和超声波振荡器3，两个球形放电头2011放电在包装瓶5内的液态食品中形成放电弧，超声波振荡器3发出的超声波同步作用于液态食品上使其流动，将等离子体杀菌物质扩散，持续处理0.1～1min，实现对整瓶液态食品的高压脉冲放电杀菌。
58.步骤四、切断脉冲放电电源1和超声波振荡器3，利用两个放电夹持部2将包装瓶5移出超声波振荡器3，松开两个放电夹持部2，将杀菌处理完成的包装瓶5放到成品区，按步骤一至步骤三对下一个液态瓶装食品进行杀菌操作。
59.虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其它所述实施例中。