微生物热致死性能测试系统及射频灭菌效应研究

论文摘要

食品受食源性致病菌污染所造成的危害甚至安全事故已日益受到食品加工业的高度重视。传统热处理技术灭菌时间较长,易对食品品质产生不良影响,丧失原有口感、营养与功能,甚至难以达到有效的灭菌效果。射频加热作为一种新型的物理灭菌方法,克服了利用传导、对流和辐射等传统加热原理产生的缺陷,将电能转化为热能,穿透至物料内部,具有升温迅速、整体加热、选择性加热的优势,同时能更好地保持产品品质。但是,在大规模推广工业化射频灭菌技术之前,需要对射频加热技术的工艺参数和灭菌机理进行深入的研究,包括针对射频加热环境下微生物热致死和食品品质动力学模型的建立,以及射频波的非热效应确定等。传统的微生物热致死或食品品质动力学试验多采用水浴（油浴）为热源的直接浸泡法或间接加热法,均存在加热速率无法控制和样品温度均匀性无法保证的弊端,而这两点直接影响微生物和食品品质的耐热性,所得到的动力学模型亦不匹配复杂的射频加热过程,更无法在精准的加热环境中明确射频波的非热效应。基于以上原因,本文设计了一套用于灭菌动力学研究的控温加热板系统,实现用户对样品升温速率、目标温度和保温时间的精确控制,利用该加热板系统建立不同升温速率下的微生物和食品色泽动力学模型,以辅助射频灭菌工艺参数的设计。最后使用加热板系统模拟射频加热环境,验证射频在灭菌机理方面是否存在非热效应。本研究的主要结论如下:（1）设计了一套精确控温加热板系统,由加热板部分和控制部分组成。加热板部分包含铝制上、下加热板、硅橡胶加热片、6个抽拉盒以及配套的样品单元,容纳样品量为1 ml。可实现对目标温度（最高140℃）、升温速率（0.113.5℃/min）和保温时间的精确控制,以进行微生物和食品品质动力学研究。该系统通过PID（比例-积分-微分）温度控制器实现对样品测量与理论误差不超过±0.5℃的精确控温。（2）利用有限元分析软件建立了控温加热板模型,用以评价样品的加热过程以及分层和整体的温度均匀性。模拟的平均升温速率与理论值误差不超过0.8%,误差随着升温速率的提高而增大。分析了花生粉在不同目标温度和保温节点中分层与整体温度分布,最大均匀性指数为0.015,随着升温速率的降低,均匀性指数减小。使用3段直线升温过程拟合射频加热曲线,最大误差不超过0.85℃。（3）使用纯净水、苹果汁、牛奶、土豆泥、蛋清、米糊、大米、巴旦木粉、花生粉、花生酱和牛肉制作样品对加热板系统的性能进行测试。结果表明,所有过程温度的测量值与理论值最大温差为0.97℃,其中保温阶段温差不超过0.30℃。使用红外成像测温仪分析花生粉在六个加热单元的温度同步性和均匀性,所有加热单元表面温度最大温差为0.46℃,平均温差为0.32℃,最大温度均匀性指数为0.024。（4）利用控温加热板系统分别建立以0.1、0.5、1.0、5.0和10.0℃/min升温速率达到目标温度55、57和60℃的大肠杆菌热致死动力学模型。结果表明,随着升温速率的降低,大肠杆菌的D值显著提高,以升温速率0.1℃/min在55℃时得到大肠杆菌D值为15.44 min,而相同目标温度下,使用10℃/min的升温速率得到的D值仅有2.50min。该控温加热板能够辅助射频灭菌工艺得到真实升温速率下准确的微生物热致死动力学模型。（5）利用控温加热板系统在与热灭菌相同的条件下进行土豆泥色泽动力学研究。结果表明,随着升温速率的减小,或目标温度、保温时间的增加,L*和a*值的反应速率增大,色泽变化明显,D值减小,即对品质影响显著。土豆泥的色泽变化规律符合一级动力学模型。同时对比微生物热致死参数,L*和a*值与有效灭菌时间F60具有高度相关性。对于工业射频灭菌工艺参数设计,在考虑食品安全和品质的基础上,升温速率应至少大于1℃/min,最好大于5℃/min。（6）利用控温加热板系统模拟射频加热灭菌过程,在相同的加热环境下分别对土豆泥和苹果汁中的大肠杆菌ATCC25922及金黄色葡萄球菌ATCC25923进行灭菌效果比较。结果表明,在不同温度节点使用两种处理方法的灭菌数量最大误差不超过1 log CFU/ml（CFU/g）,即频率在27.12MHz的射频波与加热板灭菌效果无显著性差异。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 符号表
• 缩略词
• 第一章 文献综述
•   1.1 研究背景
•   1.2 灭菌动力学
•     1.2.1 微生物热致死动力学
•     1.2.2 微生物热致死试验方法
•     1.2.3 微生物热致死动力学模型
•     1.2.4 食品品质动力学
•   1.3 射频波热效应与非热效应理论
•     1.3.1 射频波热效应理论
•     1.3.2 射频波的非热效应
•   1.4 国内外研究现状
•     1.4.1 灭菌动力学研究方法现状
•     1.4.2 热效应和非热效应的对比研究现状
•   1.5 目前存在的主要问题
•   1.6 论文的选题及主要研究内容
•     1.6.1 研究目的
•     1.6.2 研究内容
•     1.6.3 技术路线
• 第二章 微生物热致死加热板系统的设计
•   2.1 引言
•   2.2 微生物热致死试验系统总体方案确定
•   2.3 微生物热致死加热板系统的加热硬件部分设计
•     2.3.1 热源选用
•     2.3.2 样品加热单元设计
•     2.3.3 抽拉盒设计
•     2.3.4 上、下加热板设计
•     2.3.5 其他附件设计
•     2.3.6 整机加工实体
•   2.4 微生物热致死加热板控制系统设计
•     2.4.1 加热板控制系统设计要求
•     2.4.2 加热板控制系统总体设计
•     2.4.3 加热板控制系统下位机设计
•     2.4.4 加热板系统上位机程序设计
•   2.5 微生物热致死加热板系统装配
•   2.6 本章小结
• 第三章 加热板部件有限元模型的建立与分析
•   3.1 引言
•   3.2 材料与方法
•     3.2.1 仪器设备
•     3.2.2 模型的建立
•     3.2.3 模型的应用
•     3.2.4 数据分析
•   3.3 结果与讨论
•     3.3.1 加热部件方案选择
•     3.3.2 加热板参数优化设计
•     3.3.3 升温过程评价
•     3.3.4 样品温度均匀性评价
•     3.3.5 真实加热条件下试验参数的辅助预测
•   3.4 本章小结
• 第四章 微生物热致死加热板系统性能测试分析
•   4.1 引言
•   4.2 材料与方法
•     4.2.1 仪器设备
•     4.2.2 样品制备
•     4.2.3 试验过程
•     4.2.4 温度获取
•     4.2.5 与水浴加热的对比试验
•     4.2.6 数据分析
•   4.3 结果与讨论
•     4.3.1 系统加热速率控制测试
•     4.3.2 系统保温控制测试
•     4.3.3 系统预热功能测试
•     4.3.4 加热单元温度同步性测试
•     4.3.5 样品温度均匀性评价
•     4.3.6 有限元模型的验证
•     4.3.7 对比试验结果分析
•   4.4 本章小结
• 第五章 基于TDT加热板的微生物热致死动力学研究
•   5.1 引言
•   5.2 材料与方法
•     5.2.0 材料与设备
•     5.2.1 菌悬液制备
•     5.2.2 样品制备和接菌
•     5.2.3 热处理过程
•     5.2.4 菌落计数
•     5.2.5 微生物热致死动力学模型
•     5.2.6 等效灭菌时间和F值
•     5.2.7 数据分析
•   5.3 结果与分析
•     5.3.1 加热板系统的试验表现
•     5.3.2 大肠杆菌在土豆泥中的热致死动力学模型
•     5.3.3 升温速率对大肠杆菌耐热性的影响分析
•   5.4 本章小结
• 第六章 基于TDT加热板系统的食品品质动力学研究
•   6.1 引言
•   6.2 材料与方法
•     6.2.1 仪器设备
•     6.2.2 样品制备
•     6.2.3 热处理过程
•     6.2.4 土豆泥色泽参数的测定
•     6.2.5 色泽动力学模型
•     6.2.6 数据分析
•   6.3 结果与讨论
•     6.3.1 升温速率对土豆泥色泽改变的影响
•     6.3.2 土豆泥色泽动力学模型
•     6.3.3 土豆泥色泽与微生物耐热性关系分析
•   6.4 本章小结
• 第七章 射频波灭菌的非热效应研究
•   7.1 引言
•   7.2 材料和方法
•     7.2.0 材料与设备
•     7.2.1 菌悬液制备
•     7.2.2 样品制备和接菌
•     7.2.3 射频加热过程
•     7.2.4 加热板系统加热过程
•     7.2.5 菌落计数
•     7.2.6 温度均匀性测试
•     7.2.7 数据分析
•   7.3 结果与分析
•     7.3.1 温度均匀性分析
•     7.3.2 加热升温过程比较
•     7.3.3 灭菌效果比较
•     7.3.4 射频处理的非热效应讨论
•   7.4 本章小结
• 第八章 结论与展望
•   8.1 结论
•   8.2 创新点
•   8.3 研究展望
• 参考文献
• 附录A 主要试验和检测设备
• 致谢
• 作者简介

文章来源

类型: 博士论文

作者: 寇小希

导师: 王绍金

关键词: 射频,加热板,升温速率,动力学,非热效应

来源: 西北农林科技大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

专业: 生物学,轻工业手工业

单位: 西北农林科技大学

基金: 国家自然科学基金面上项目(31371853)“采后坚果的射频杀虫灭菌机理及方法研究”,国家重点研发计划(2016YFD0401004)“射频加热杀灭储粮害虫关键技术与设备研发”

分类号: TS201.3

总页数: 147

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