将微气泡融入牛奶巴氏杀菌过程中以减少污染

《folia medica》：Incorporation of microbubbles into milk pasteurization for fouling mitigation

微气泡（MBs）被引入牛奶巴氏杀菌过程，通过旋转盘装置（SDA）在不同剪切应力下抑制结垢形成，实验表明MBs能显著减少结垢量达64%，且不引发蛋白质氧化，为乳制品工业提供新型防垢技术。

　　在当今的食品工业中，尤其是乳制品加工领域，设备表面的结垢（fouling）问题一直是一个严峻的挑战。结垢不仅影响了热交换效率，还增加了设备的运行成本，从而限制了乳制品生产过程的经济性和可持续性。这项研究旨在探讨微气泡（microbubbles, MBs）作为一种新型清洁剂在乳制品巴氏杀菌过程中的应用潜力，以有效减少热交换设备中的结垢形成。

微气泡是一种尺寸通常在1到100微米之间的气泡，与常见的毫米级气泡相比，其在物理和化学性质上有显著差异。这些微小的气泡因其较低的浮力而能在液体中停留更长时间，这种特性使其在液体中的行为与常规气泡截然不同。此外，微气泡具有较大的比表面积，能够促进物理吸附、气液界面的质量传递以及化学反应的发生。它们的疏水性表面还能有效结合有机物质，如蛋白质和脂肪，这在清洁过程中具有重要意义。基于这些独特的特性，微气泡已经被广泛应用于提高不同有机沉积物和污染物的清洁效率，例如牛奶沉积物在热交换表面上的清除、超滤系统中的清洁、微滤膜上的食品油去除以及沙中生物柴油的处理等。然而，微气泡在巴氏杀菌过程中对牛奶结垢形成的有效性尚未得到系统研究。

为了评估微气泡在巴氏杀菌过程中对结垢的影响，本研究采用了一种旋盘装置（spinning disc apparatus, SDA）进行实验。SDA能够模拟工业热交换器中的流动条件，从而提供一个可靠的实验平台。实验中使用了两种类型的牛奶：脱脂牛奶和全脂牛奶，这两种牛奶在巴氏杀菌过程中可能表现出不同的结垢行为。通过调整旋盘的旋转速度，研究者能够生成不同的剪切应力，范围从0.063到0.15帕斯卡。这种剪切应力的变化有助于理解微气泡在不同流动条件下的分布和行为。

实验中，微气泡是通过文丘里型发生器（venturi-type generator）注入牛奶中的。该发生器能够有效地产生微气泡，同时确保其均匀分布。通过计算流体力学（computational fluid dynamics, CFD）模拟，研究者能够预测微气泡在不同流速和旋转速度下的分布情况，并分析其对结垢形成的影响。模拟结果显示，随着旋盘旋转速度的增加，微气泡在旋盘附近的聚集密度显著下降，最高可达60%。这表明微气泡的分布受到流动条件的显著影响，而这种影响可能对结垢的形成起到抑制作用。

在实际的结垢实验中，研究者观察到微气泡的存在能够有效减少结垢的形成。实验结果表明，无论是在脱脂牛奶还是全脂牛奶的巴氏杀菌过程中，微气泡都能显著降低结垢量。特别是在0.077帕斯卡的剪切应力条件下，脱脂牛奶的结垢量从0.0134 m2K/W降低到了0.0052 m2K/W，降幅达到了64%。这一结果表明，微气泡在特定的流动条件下能够显著提高热交换效率，减少结垢的积累。

此外，实验还通过蛋白质羰基（protein carbonyl）的测量来评估微气泡处理对牛奶蛋白质氧化的影响。结果表明，微气泡的处理并未导致牛奶蛋白质的氧化，这表明其在清洁过程中不会对牛奶的营养成分和感官特性造成负面影响。这一发现对于乳制品加工行业来说具有重要意义，因为保持牛奶的营养和感官质量是其加工过程中的关键目标。

在实际的工业应用中，结垢的形成不仅增加了清洗成本，还可能影响产品的质量和安全。因此，寻找一种有效的结垢抑制方法对于提高乳制品加工的效率和降低成本至关重要。本研究的结果表明，微气泡可以作为一种有效的结垢抑制剂，其在巴氏杀菌过程中的应用能够显著减少结垢的形成，从而提高热交换效率，减少清洗频率，延长设备的使用寿命。

从经济角度来看，结垢的形成通常占乳制品加工总运营成本的80%。因此，任何能够有效减少结垢的方法都有望显著降低运营成本。本研究中，微气泡的引入不仅减少了结垢的形成，还可能提高生产效率，减少因结垢导致的停机时间。通过减少结垢，乳制品加工厂可以优化其生产流程，提高整体产能，同时降低维护和清洗的成本。

从环境角度来看，微气泡的使用能够减少对化学清洁剂的依赖，从而降低化学物质的使用量和排放量。这不仅有助于减少对环境的污染，还能提高乳制品加工过程的可持续性。此外，微气泡的处理过程相对简单，可以在现有的巴氏杀菌设备中进行集成，而无需对设备进行大规模改造，这进一步降低了其应用的门槛。

从技术角度来看，微气泡的引入需要考虑其在不同流动条件下的行为。例如，旋盘的旋转速度对微气泡的分布和行为有重要影响。通过调整旋盘的速度，可以控制微气泡的聚集程度，从而优化其对结垢的抑制效果。此外，微气泡的尺寸和浓度也是影响其性能的重要因素。不同的微气泡尺寸可能在不同的流动条件下表现出不同的行为，因此需要根据具体的工艺条件进行优化。

在实际应用中，微气泡的处理可能需要与其他技术相结合，以达到最佳的结垢抑制效果。例如，结合表面改性和声波技术，可以进一步提高清洁效率。然而，目前的研究表明，微气泡本身已经能够显著减少结垢的形成，这为其在乳制品加工中的应用提供了坚实的基础。

本研究的创新之处在于首次将微气泡作为一种自清洁剂应用于乳制品巴氏杀菌过程，以减少热交换设备中的结垢形成。通过实验和模拟的结合，研究者不仅验证了微气泡的有效性，还揭示了其在不同流动条件下的行为特征。这些发现为乳制品加工行业提供了一种新的解决方案，有望在未来实现更高效的清洁和热交换过程。

总之，微气泡作为一种新型的清洁剂，在乳制品巴氏杀菌过程中展现出显著的结垢抑制效果。其独特的物理和化学性质使其能够在液体中停留更长时间，并有效结合有机物质，从而减少结垢的形成。通过调整旋盘的旋转速度和微气泡的浓度，可以进一步优化其性能，使其在不同类型的牛奶和流动条件下都能发挥最佳效果。这些发现不仅有助于提高乳制品加工的效率和经济性，还为实现更环保和可持续的生产过程提供了新的思路。