李 瑞, 寇小希, 王紹金,2

(1. 西北農(nóng)林科技大學(xué) 機(jī)械與電子工程學(xué)院, 陜西 楊凌 712100；2. 華盛頓州立大學(xué) 生物系統(tǒng)工程系, 美國(guó) 普爾曼 99164-6120)

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用于研究微生物熱致死動(dòng)力學(xué)的可控加熱速率的加熱板系統(tǒng)

李 瑞1, 寇小希1, 王紹金1,2

(1. 西北農(nóng)林科技大學(xué) 機(jī)械與電子工程學(xué)院, 陜西 楊凌 712100；2. 華盛頓州立大學(xué) 生物系統(tǒng)工程系, 美國(guó) 普爾曼 99164-6120)

設(shè)計(jì)了一種用于研究微生物熱致死動(dòng)力學(xué)的可控加熱速率的加熱板系統(tǒng),該系統(tǒng)包含鋁制上加熱板、下加熱板、加熱片、6個(gè)抽拉盒和6個(gè)樣品單元、PID溫度控制器、數(shù)據(jù)控制采集軟件和計(jì)算機(jī)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該可控加熱速率的加熱板系統(tǒng)工作時(shí),上下加熱板的溫度與樣品溫度基本一致,設(shè)置的加熱速率與樣品的加熱速率基本一致,這為研究微生物的熱致死動(dòng)力學(xué)提供了研究基礎(chǔ)。

微生物； 加熱板系統(tǒng)； 技術(shù)設(shè)計(jì)

目前,因感染食源性致病菌造成的食品安全事故屢有發(fā)生。比如:2001年和2004年,在美國(guó)出口到加拿大的巴旦木中,就出現(xiàn)過(guò)因感染沙門(mén)氏菌而引發(fā)的疾病事件,對(duì)巴旦木加工業(yè)造成了不可估量的經(jīng)濟(jì)損失[1]；2009 年美國(guó)發(fā)生了因食用感染沙門(mén)氏菌的花生醬與開(kāi)心果造成了9 人死亡的惡性事件[2]；2009 年和2010年美國(guó)發(fā)生了因食用感染沙門(mén)氏菌的辣椒粉和胡椒粉造成了食物中毒事件[3]。可見(jiàn),在農(nóng)產(chǎn)品加工、貯藏以及運(yùn)輸過(guò)程中,研究致病菌的控制技術(shù)就顯得格外重要與迫切。要研究致病菌的控制技術(shù)就需要了解熱處理對(duì)微生物的致死作用即微生物的熱致死動(dòng)力學(xué)。

國(guó)內(nèi)外研究微生物熱致死動(dòng)力學(xué)的實(shí)驗(yàn)方法有很多。常見(jiàn)的方法有兩種,一種是樣品的直接浸泡加熱法,另一種是樣品經(jīng)一定前處理后的間接加熱法。直接浸泡加熱法最接近實(shí)際的加熱環(huán)境,但受到加熱方法與食品傳熱速度的影響,樣品由初溫加熱至預(yù)設(shè)溫度再恢復(fù)至初溫有一個(gè)顯著的變溫過(guò)程,而研究微生物熱致死動(dòng)力學(xué)的前提是要確保理想的等溫條件下獲得反應(yīng)速率[4]。因此,直接加熱法不適合研究微生物的熱致死動(dòng)力學(xué)。間接加熱法通常是將樣品前處理后,裝入毛細(xì)管、鋁管以及密封加熱單元等設(shè)備中開(kāi)展熱致死動(dòng)力學(xué)研究,比如:使用不同直徑毛細(xì)管研究在土豆泥中接種大腸桿菌K12的熱致死動(dòng)力學(xué)[5]；使用鋁管研究大腸桿菌的熱致死動(dòng)力學(xué)[6]；使用密封加熱單元研究去殼蛋中的沙門(mén)氏菌和大腸桿菌K12的熱致死動(dòng)力學(xué)[7]。但是由于毛細(xì)管中無(wú)法裝入固體食物,因此不適合用在研究固體食物中微生物的熱致死動(dòng)力學(xué)。鋁管需要較長(zhǎng)的時(shí)間達(dá)到預(yù)設(shè)溫度,則可能會(huì)導(dǎo)致耐熱蛋白的產(chǎn)生。密封加熱單元TDT cell由于熱導(dǎo)率高、耐腐蝕性好、切削加工性能好等特性用來(lái)研究液體,半固體以及固體中微生物的熱致死動(dòng)力學(xué)。影響微生物熱致死動(dòng)力學(xué)的因素包括加熱溫度、加熱時(shí)間以及加熱速率[5,8]。用水浴鍋加熱TDT cell可以控制加熱溫度和加熱時(shí)間，但是無(wú)法對(duì)升溫速率這一重要參數(shù)進(jìn)行精確控制。因此急切需要一種可以研究加熱速率、加熱時(shí)間和加熱溫度對(duì)殺菌效果影響的實(shí)驗(yàn)設(shè)備,在保證微生物熱死亡率重復(fù)性好的同時(shí),提供足夠且可靠的微生物熱致死數(shù)據(jù)。

1 技術(shù)設(shè)計(jì)

加熱板系統(tǒng)由加熱單元、溫度控制器和計(jì)算機(jī)組成,如圖1所示。加熱單元包括鋁制上加熱板、下加熱板、加熱片、6個(gè)抽拉盒和6個(gè)樣品單元。6個(gè)抽拉盒內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示,樣品單元內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示。上下加熱板選擇鋁制材料，主要是由于鋁材的低熱容(903 J/kg℃)、高傳熱(234 W/m℃)性能,從而在加熱和保溫過(guò)程中,為系統(tǒng)提供平滑的溫度分布曲線,且在設(shè)定溫度不超過(guò)120 ℃時(shí),可實(shí)現(xiàn)0.1～15 ℃/min的加熱速率調(diào)節(jié)。8個(gè)定做的硅橡膠柔性加熱片粘在上下加熱板的表面,提供可控的熱流密度。樣品單元固連在抽拉盒內(nèi),6套抽拉盒均勻放置在下加熱板中。抽拉盒可以方便地推入加熱板內(nèi)加熱并快速取出置于冰水中冷卻。

圖1 微生物熱致死動(dòng)力學(xué)的加熱板系統(tǒng)外觀示意圖

圖2 抽拉盒的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖3 樣品單元的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

樣品單元由底部和蓋子通過(guò)螺紋進(jìn)行聯(lián)接,通過(guò)O型橡膠圈進(jìn)行密封?？煞湃? mL液體或1 g固體樣品量,更好地保證升溫迅速和受熱均勻性。溫度控制器包括T型熱電偶溫度傳感器、PID控制器、變壓器、固態(tài)繼電器。T型熱電偶溫度傳感器連接加熱板,用來(lái)測(cè)量加熱板上下底板的溫度；PID控制器接收計(jì)算機(jī)中的指令；變壓器主要是改變電壓和電流；固態(tài)繼電器主要是接通和斷開(kāi)電路。計(jì)算機(jī)主要包含采用Visual Basic語(yǔ)言編寫(xiě)的控制軟件,通過(guò)控制軟件設(shè)置參數(shù),將參數(shù)指令傳送給PID控制器,根據(jù)設(shè)定的參數(shù)固態(tài)繼電器開(kāi)始工作,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)加熱溫度的控制,同時(shí)顯示和保存加熱過(guò)程中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。

2 可控加熱速率的加熱板系統(tǒng)操作過(guò)程

將加熱板系統(tǒng)接上電源后,先打開(kāi)計(jì)算機(jī)和溫度控制器電源開(kāi)關(guān),在計(jì)算機(jī)中運(yùn)行控制軟件,并設(shè)置加熱板系統(tǒng)的參數(shù),主要是加熱速率、加熱初始溫度、最終溫度和保溫時(shí)間；然后將樣品放入樣品單元中,擰緊螺紋。將6個(gè)備好的樣品抽拉盒依次放入加熱板中。PID控制器接收到控制軟件的指令,打開(kāi)溫度控制器加熱開(kāi)關(guān),啟動(dòng)固態(tài)繼電器開(kāi)始加熱,熱量經(jīng)由鋁制上下板快速傳遞至樣品單元中,繼而實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品的加熱控制。加熱保溫期間,根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求,間隔取出樣品抽拉盒進(jìn)行冷卻和其他工作。加熱結(jié)束后,關(guān)閉加熱板系統(tǒng)程序。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 加熱板系統(tǒng)溫度的穩(wěn)定性測(cè)量

加熱板的溫度高于90 ℃且加熱時(shí)間持續(xù)1 min可以殺滅大部分的有害菌[9-12],所以設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)時(shí)選擇了90、95、100 ℃。為了驗(yàn)證加熱板系統(tǒng)溫度的穩(wěn)定性,每個(gè)溫度下采用手持式熱電偶直接測(cè)量樣品單元的溫度3次,取其平均值與T型熱電偶測(cè)量的溫度進(jìn)行對(duì)比,測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。結(jié)果顯示T型熱電偶傳感器的溫度(加熱板系統(tǒng)顯示的溫度)與用手持式熱電偶測(cè)的溫度差值很小(ΔTmax=0.1 ℃),說(shuō)明設(shè)計(jì)的加熱板系統(tǒng)溫度很穩(wěn)定。

表1 加熱板系統(tǒng)溫度的穩(wěn)定性測(cè)量

3.2 加熱板系統(tǒng)加熱速率的穩(wěn)定性測(cè)量

加熱板可實(shí)現(xiàn)0.1～15 ℃/min的加熱速率調(diào)節(jié),因此驗(yàn)證加熱速率的穩(wěn)定性選擇以下6種加熱速率來(lái)驗(yàn)證，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 加熱板系統(tǒng)加熱速率的穩(wěn)定性測(cè)量

測(cè)試結(jié)果顯示，設(shè)置的加熱板速率與用外置熱電偶算出的加熱速率差值為0.01 ℃/min,說(shuō)明設(shè)計(jì)的加熱板系統(tǒng)加熱速率的穩(wěn)定性良好。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的可控加熱速率的加熱板系統(tǒng)可以為微生物提供一個(gè)理想可控的均勻加熱環(huán)境,可以系統(tǒng)地研究不同加熱速率、加熱時(shí)間以及加熱溫度條件下微生物的熱致死動(dòng)力學(xué),具有實(shí)用價(jià)值。

References)

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Controlled heating rate/heating block systems for studying thermal death kinetics of Microbiology

Li Rui1, Kou Xiaoxi1, Wang Shaojin1,2

(1. College of Mechanical and Electronic Engineering, Northwest A&F University,Yangling 712100, China;2. Department of Biological Systems Engineering, Washington State University, Pullman, WA 99164-6120, USA)

Acontrolled heating rate/heating block system is designed, which consists of aluminum top heating block, aluminum bottom heating block, custom-made heating pads, 6 pull-push boxes, 6 TDT cells, PID temperature controller, data collection software and computer. The results show that the temperature of top/bottom heating block and samples is almost the same when the controlled heating rate/heating block system works. This provides the research basis for studying the thermal death kinetics of microbiology.

microbiology; heating block system; technical design

10.16791/j.cnki.sjg.2016.11.024

2016-05-18

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31371853)；教育部2012年博士點(diǎn)基金項(xiàng)目(20120204110022)

李瑞(1985—)，女，陜西綏德，在讀博士研究生，實(shí)驗(yàn)師，主要從事食品與農(nóng)產(chǎn)品加工技術(shù)研究.

E-mail：ruili1216@nwsuaf.edu.cn

TS207.3

B

1002-4956(2016)11-0099-03