A Practical Method for Estimating Temperature History in Individual-Packed Foods During Retort Sterilization Isamu MUKAI Hisaka Works, LTD. Vital Industry Division, Engineering Section, 21-48 Higashi Konoikecho, Higashi-Osaka, Osaka 578-0973, Japan It is very important but so difficult problem for food manufacturing industries to estimate the central temperature of Individual-packed foods accurately during retort sterilization. Not a few numbers of methods by heat transfer equations have been used traditionally to solve these problems, however, these methods are too difficult to apply in the actual fields. Because of these reasons, more practical and convenient methods are under the necessity to be developed. A new practical estimation method named as Ambient Temperature Slide Method (ATS method) was developed. ATS method can simulate changes of central temperatures of packed foods under various ambient temperatures by using only two parameters led from actually measured data. In this method, central temperatures are estimated directly from ambient temperatures without dividing each packed food into many grid points, and as a result, total quantity of efforts for calculation should be largely reduced and commercial spread-sheet software is available. In this study, adaptability of the ATS method was tested using the hot water spray retort. Values from actual measurement and simulation with five kinds of packed foods which have different characteristics from solid to liquid form showed good consistency. These results suggested that the ATS method could be used as a new convenient estimation method. Keywords: Retort Sterilization, F -value, Heat transfer parameter, Ambient Temperature Slide Method, Hot Water Spray Retort
Fig. 1 A schematic diagram of temperature profile in a food body and in its ambient. Fig. 2 A schematic diagram of temperature history at the center of a food body and of the ambient during retort sterilization.
向 200 井 で あ る. 3.2試 温 度 セ ン サ は,釜 抵 抗 体(山 勇 の 温 度 制 御 用 に φ4.8 L100の 武 製,HYY-4.8-3/4-A-D)を,ア 測温 ル ミ トレ ー 上 の 品 物 や そ の ま わ り に セ ッ トす る も の は,φ2 L100 の サ ー ミ ス タ(芝 浦 電 子 製,特THB-113形)を 使 用 した. 料 現 在,レ トル ト品 は 食 品 及 び 医 薬 品 を 含 め て 多 種 多 様 な もの が 市 場 へ 出 回 っ て い る.熱 水 ス プ レ ー式 の レ トル ト品 に つ い て 見 て も そ の 多様 性 は 変 わ ら な い.本 研 究 で は そ の 多様 性 を カ バ ー す る た め に物 性 が 大 き く 違 う 次 の5種 類 の サ ン プ ル を選 ん だ(Fig.5).均 体 の 模 擬 品 と して 無 包 装 の シ リ コ ン ゴ ム,加 一固 熱工 程 で の 変 性 が 認 め ら れ る ア ル ミパ ウ チ 詰 め カ レ ー,加 熱す る と す ぐに 凝 固 す る ブ ロ ー容 器 詰 め 玉 子 豆 腐,同 じカ レ ー で あ っ て も上 部 に 比 較 的 大 き な 空 気 相 を持 っ た カ ップ 容 器 詰 め の 含 気 カ レ ー,水 様物 性 で は ある が大 き な厚 み を も っ た 透 明 パ ウ チ 詰 め 輸 液 バ ッグ の5種 で あ る. 4.結 果 お よび考察 各種食 品 サ ンプル に対す る実験 値 は本研 究 で提 案 し Fig. 4 Ambient temperature at six different histories positions are coincided, atmosphere in the retort. history during in the retort showing heating used homogeneous and cooling in this work. All temperature た 推 定 値 又 は 推 定 式 と 良 く 一 致 し て い た.以 算 の 結 果,各 下 に表 計 サ ン プ ル に 対 す る収 斂 計 算 結 果,収 斂値 の 一 致 性 な どに つ い て 考 察 を 加 え た 4.1表 計 算 ソ フ トに よ る 計 算 Excelを 示 す.表 用 い て 計 算 し た 手 順 を,実 計 算 シ ー トに,Table1に 際例 を取 り 上げ て 示 す よ う に,制 パ ラ メ ー タ や 収 束 条 件 を 入 力 す るA領 域 と,雰 御用 囲気温 度 や 食 品 試 料 温 度 の 実 測 値 を 入 力 して シ ミュ レ ー シ ョ ン 計 算 を 行 な うB領 A領 域 の2つ の 領 域 を 設 定 し た.ま 域 に サ ン プ リ ン グ 時 間,食 を 入 力 す る.次 る.こ 品 試 料 厚 み,目 ず, 標F値 い で パ ラ メ ー タ τ と δの 初 期 値 を 入 力 す の 例 で は シ リ コ ン ゴ ム((1))を 120,20分 加 熱 し,F値8.0分 初 期 値 は,α に 既 知 の 値 を 使 い β を1と る 計 算 値 を 入 れ た.δ れ て い な い の で,試 試 料 と して を 目 標 値 と し た.τ し て(6)式 の によ の 初期 値 は まだ計算 式 が確 立 さ み に6秒 と し た.こ の段 階 で は τ と δの 初 期 値 は 加 熱 工 程 も 冷 却 工 程 も 同 一 の 値 を 入 れ る,な お,残 り4試 料 の 計 算 に お い て τ0値 は,α 明 の た め 水 の α を ま た β は1を 上 記 同 様,小 (1)第1段 単 位 の6秒 階:実 使 っ て 求 め,ま か ら 出 発 し た. 測 し た 雰 囲 気 温 度tw,試 度tpを 経 過 時 間 に 対 し てB領 る.続 け てtw列 料 中心 部温 域 の 対 応 す る列 へ 入 力 す を 仮 想 雰 囲 気 温 度twi列 ら せ て コ ピ ー す る.こ が不 た δ0は の 時,仮 へ δ秒 だ け 遅 想 雰 囲 気 温 度twi列 の0 秒 か ら δ秒 ま で の 空 欄 に は 食 品 試 料 の 初 期 温 度 を 入 力 す る.twi<tpと な っ た1734sec以 降は実質 冷却 工程 と な る. 経 過 時 間 θ,推 測 し た 試 料 中 心 部 温 度tpcal,温 度 差(tw i-tp),実 測 し た 試 料 温 度 に 基 づ い て 計 算 し たF値EFn, 推 測 し た 試 料 温 度 に 基 づ い て 計 算 し たF値EF,aln,計 Fig. 5 Samples for this work 算 順 番n,試 料 中 心 部 温 度 の 実 測 値 と 推 定 値 の 偏 差Qp
Table 1 Data sheet of Excel for calculation Sample : Silicon Rubber (SR70)
Fig. 6 The history of measured temperature of ambient (solid line) and at the center of food body (light solid line) when silicon rubber is used as the model of food. The calculated temperature at the center of the food body is shown as the broken line. Table 2 Data sheet of EXCEL for calculation [2nd Step Operation sheet No.1] [2nd Step Operation sheet No.2] [3rd Step Operation sheet]
203 Fig. 7 The history of measured temperature of ambient (solid line) and at the center of food body (light solid line) when curry is used as the food. The calculated temperature at the center of the food body is shown as the broken line. Fig.8 The history of measured temperature of ambient (solid line) and at the center of food body (light solid line) when egg tofu is used as the food. The calculated temperature at the center of the food body is shown as the broken line. Fig. 9 The history of measured temperature of ambient (solid line) and at the center of food body (light solid line) when curry is used as the food and air is remained in the package. The calculated temperature at the center of the food body is shown as the broken line. Fig. 10 The history of measured temperature of ambient (solid line) and at the center of food body (light solid line) when transfuse liquid is used as the model of food. The calculated temperature at the center of the food body is shown as the broken line. Table 3 Standard of Accuracy Evaluated
QB heat accumulation in a small time increment QT : heat conduction in a small time increment ( ƒæ) two : simulated ambient temperature [ Ž] NOMENCLATURE A : effective heat transfer area [m2] F : F-value [min] L : distance from surface to center of food [m] (a e) [U] V : volume of food [m3] cp : specific heat [KJ kg-1 Ž-1] h : outside film heat-transfer coefficient [KJ] [W E m -2 Ž-1] k : thermal conductivity of food [W m-1 Ž-1] n : calculated order [-] tp : center temperature of food [ Ž] tp * : average temperature of food [ Ž] tw : ambient temperature [ Ž] ts : surfase temperature of package [ Ž] a : thermal diffusivity [cm2-1] ƒà : deviation ratio of central temperature from average temperature in food [-] S : sliding time of ambient temperature [s] ƒæ : time [s] ƒæ : small time increment [s] ƒï : density of food [kg m-3] ƒðp : deviation between food temperature-curve [ % ] ƒðf : deviation of F-value [ % ] Additional ƒñ : parameter of heat transfer [-] scripts c : cooling process h : heating process Subscripts 0 : initial value cal : calculated value
205 [1] K. Hayakawa; Estimating food temperatures during various processing or handling treatment, J. Food Sci., 36, 378-385 (1971)