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(西南科技大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，四川綿陽6210101)

粉類食品因其良好的口感、利于營養(yǎng)吸收等優(yōu)點(diǎn)在食品行業(yè)占據(jù)著巨大的份額。相關(guān)數(shù)據(jù)[1-2]顯示，我國粉類食品年銷售額約為150多億元，產(chǎn)量約為125萬t。粉類食品在生產(chǎn)包裝過程中，粉碎是一道重要的加工工序。目前，針對(duì)粉類食品的加工大多是以機(jī)械粉碎為主[3-5]，機(jī)械粉碎細(xì)化加工后，還需進(jìn)行滅菌處理。根據(jù)滅菌原理，分為熱殺菌與非加熱殺菌兩類[6]。熱殺菌中的干熱殺菌技術(shù)是一種靜態(tài)殺菌，效率低，耗時(shí)長。若食品需要粉碎，此殺菌工藝必須在粉碎后進(jìn)行，這種先粉碎后滅菌工藝生產(chǎn)工況復(fù)雜[7-10]。隨著流化床技術(shù)的發(fā)展，許多研究者提出了流化床熱殺菌技術(shù)，此技術(shù)加速了滅菌效率，并且是一種動(dòng)態(tài)滅菌技術(shù)。然而，現(xiàn)有滅菌技術(shù)依然建立在先粉碎后滅菌基礎(chǔ)上，不僅增加了粉類食品的加工成本，而且降低了生產(chǎn)效率。若使用高溫氣流粉碎技術(shù)在食品粉碎的同時(shí)進(jìn)行滅菌，可以大幅加速生產(chǎn)效率[11-12]。文獻(xiàn)檢索顯示，相關(guān)的工作僅在少部分論文中有所提及，但是對(duì)其機(jī)理卻解釋較少或者不完整[13],在通常的食品粉碎滅菌研究中，食品的粉碎與滅菌依然作為2個(gè)獨(dú)立分開的部分。故本文中通過建立高溫粉碎實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，以膨化黑米粉為研究對(duì)象，采用高溫氣流對(duì)其進(jìn)行同步粉碎滅菌試驗(yàn)，并與先粉碎再干熱滅菌的工藝進(jìn)行對(duì)比研究，運(yùn)用數(shù)值方法對(duì)相關(guān)過程進(jìn)行模擬，驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果并探究相關(guān)機(jī)理。

1 膨化黑米粉干熱滅菌實(shí)驗(yàn)

1.1 干熱滅菌實(shí)驗(yàn)物料與設(shè)備

本實(shí)驗(yàn)采用的原料為膨化黑米粉，D50=70 μm，含水率(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)為5%～9%。實(shí)驗(yàn)設(shè)備采用熱風(fēng)循環(huán)烘箱與不銹鋼托盤。烘箱由上海鴻都電子科技有限公司提供，各具體參數(shù)如下： 臨界使用溫度為<250 ℃，精度： (100±1) ℃； 不銹鋼托盤尺寸為20 cm×9 cm×2 cm。

1.2 干熱滅菌實(shí)驗(yàn)方法

膨化黑米粉初始原料含菌量極低，為保證實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性，需對(duì)原料進(jìn)行覆菌處理：以D50=70 μm的膨化黑米粉作為菌落培養(yǎng)基底并測試菌落數(shù)，獲得菌落初始含量。實(shí)驗(yàn)時(shí)，烘箱內(nèi)最高溫度控制在160 ℃以下，物料在烘箱內(nèi)停留時(shí)間保持在 4 h 以上，因此本實(shí)驗(yàn)使用了3種溫度與3種滅菌停留時(shí)間，滅菌溫度分別為80、100、120 ℃，停留時(shí)間為4、6、8 h。

實(shí)驗(yàn)時(shí)，將含菌膨化黑米粉(D50=74 μm)平鋪于托盤上，厚度為1 cm，同一滅菌溫度對(duì)應(yīng)3種不同的滅菌停留時(shí)間。例如，烘箱溫度80 ℃時(shí)，對(duì)應(yīng)的滅菌停留時(shí)間分別是4、6、8 h。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，分別進(jìn)行菌落總數(shù)測定。菌落總數(shù)的測定方法依照GB 4789.2—2016《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)食品微生物學(xué)檢驗(yàn)菌落總數(shù)測定》。

1.3 干熱滅菌實(shí)驗(yàn)結(jié)果及其分析

膨化黑米粉覆菌后，初始菌落數(shù)為40萬cfu/g，不同實(shí)驗(yàn)條件下菌落總數(shù)變化如圖1所示。從圖中可以看出，當(dāng)滅菌時(shí)間為4 h時(shí)，隨著滅菌溫度的增加，樣品的菌落總數(shù)呈遞減趨勢，依次為4.8、3.6、3.0萬cfu/g；滅菌溫度為100、120 ℃時(shí)，菌落總數(shù)隨加熱時(shí)間呈遞減趨勢。當(dāng)滅菌溫度120 ℃，滅菌時(shí)間分別為6、8 h時(shí)，菌落總數(shù)低于1萬cfu/g，符合膨化食品規(guī)定的微生物菌落總數(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

圖1 不同條件下菌落數(shù)量Fig.1 Colony numbers under different conditions

2 膨化黑米粉的高溫粉碎同步滅菌實(shí)驗(yàn)

2.1 高溫粉碎同步滅菌實(shí)驗(yàn)材料與設(shè)備

實(shí)驗(yàn)物料為膨化黑米粉：D50=178 μm,含水率為5%～9%。實(shí)驗(yàn)設(shè)備：圖2為高溫粉碎同步滅菌實(shí)驗(yàn)設(shè)備示意圖。設(shè)備由綿陽流能粉體公司提供，主要由8個(gè)部分組成，如圖2所示。粒徑測試儀器為標(biāo)準(zhǔn)篩與振動(dòng)篩分機(jī)(型號(hào)YX200)。

1—熱空氣進(jìn)口；2—?dú)饬髂シ鬯榍唬?—分級(jí)輪；4—連接管； 5—濾筒收集器；6—?dú)饬鞒隹冢?—濾筒；8—物料出口圖2 高溫粉碎同步滅菌實(shí)驗(yàn)設(shè)備示意圖Fig.2 Model of synchronous crushing and sterilization system

2.2 高溫粉碎同步滅菌實(shí)驗(yàn)方法

按照干熱殺菌實(shí)驗(yàn)覆菌方式對(duì)原料做覆菌處理，獲得原料菌落總量。實(shí)驗(yàn)開始前，只對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行清潔預(yù)熱。實(shí)驗(yàn)時(shí)，覆菌后的物料采用負(fù)壓引射方式加入到實(shí)驗(yàn)設(shè)備內(nèi)，同時(shí)，以氣流溫度作為變量，控制粉碎氣源壓力為455.96 kPa，分級(jí)輪轉(zhuǎn)速600 rad/min，風(fēng)機(jī)出口負(fù)壓-3 kPa，調(diào)節(jié)進(jìn)氣溫度分別為25、80、100、120、150 ℃后進(jìn)行粉碎滅菌實(shí)驗(yàn)，分別采集樣品進(jìn)行菌落總量測定，菌落總數(shù)測定參照GB 4789.2—2016《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)食品微生物學(xué)檢驗(yàn)菌落總數(shù)測定》。

需要特別指出，在實(shí)驗(yàn)中，為保證設(shè)備內(nèi)的物料殺菌時(shí)間一致，需確保設(shè)備系統(tǒng)內(nèi)已達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)的定義為：在固定時(shí)間內(nèi)，進(jìn)料口進(jìn)的量等于出料口收集到的量。取料時(shí)間為系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行5 min后。

2.3 高溫粉碎同步滅菌實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

當(dāng)粉碎氣源溫度在25(常溫)、80、100、120、150 ℃時(shí)，經(jīng)粒徑測試后表明： 設(shè)備系統(tǒng)對(duì)膨化黑米粉的粉碎效果理想(D50≤70 μm)。表1是不同溫度下物料菌落總數(shù)，由表可以看出，粉碎滅菌時(shí)間5 min時(shí)，不同粉碎溫度對(duì)應(yīng)的微生物總數(shù)分別為35、2.0、1.4、0.6、0.2萬cfu/g，呈明顯的下降趨勢。當(dāng)粉碎溫度為120、150 ℃時(shí)，菌落總數(shù)低于1萬cfu/g，符合膨化食品所規(guī)定的微生物菌落總數(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

表1 不同溫度下物料菌落總數(shù)Tab.1 Total number of bacterial colonies under different temperatures

3 高溫粉碎同步高效滅菌機(jī)理探討

當(dāng)膨化黑米粉在菌落總數(shù)為40萬cfu/g時(shí)，采用干熱滅菌和高溫粉碎同步滅菌方式，分別對(duì)物料進(jìn)行滅菌處理。在120 ℃時(shí)，高溫粉碎同步滅菌效果與干熱滅菌效果相近，分別為0.6、0.8萬cfu/g，均已達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)要求的菌落總數(shù)，但是在滅菌時(shí)間上，粉碎滅菌僅僅用了5 min，而干熱滅菌實(shí)驗(yàn)則需要用6 h。因此，單從滅菌時(shí)間上對(duì)比，干熱滅菌時(shí)間是粉碎同步滅菌時(shí)間的72倍。同時(shí)，膨化黑米粉在進(jìn)行高溫粉碎滅菌實(shí)驗(yàn)時(shí)，進(jìn)料粒徑D50由178 μm粉碎至≤70 μm，達(dá)到膨化黑米粉的理想使用粒度，在滿足粉碎效果的同時(shí)，滅菌效果良好且速率極高。

干熱滅菌時(shí)，溫度和滅菌時(shí)間是影響滅菌效果的重要因素，顆粒溫度升高途徑主要是烘箱內(nèi)輻射與對(duì)流傳熱。平鋪在托盤內(nèi)的顆粒只有部分能直接受到輻射傳熱，大部分顆粒溫度升高是由于顆粒間傳熱引起的，因此，顆粒整體的傳熱速率較低，這也就直接導(dǎo)致了干熱滅菌的時(shí)間過長。而在粉碎同步滅菌系統(tǒng)內(nèi)，顆粒隨流體運(yùn)動(dòng)，處于流化狀態(tài)，每個(gè)顆粒完全與高溫氣體接觸傳熱，傳熱速率極快[14-16]，從而達(dá)到快速殺菌的目的。

為探究上述滅菌實(shí)驗(yàn)機(jī)理，利用計(jì)算流體力學(xué)軟件ANSYS Fluent14.5對(duì)粉碎滅菌系統(tǒng)設(shè)備內(nèi)的流場，以及顆粒在流場內(nèi)的熱傳遞過程進(jìn)行模擬，并與烘箱內(nèi)傳熱的過程及顆粒升溫時(shí)間進(jìn)行對(duì)比分析。

3.1 計(jì)算模型與模擬方法

3.1.1 粉碎同步滅菌系統(tǒng)模型與計(jì)算網(wǎng)格劃分

對(duì)圖2所示設(shè)備進(jìn)行整體建模，3D模型如圖3所示。在網(wǎng)格劃分時(shí)，應(yīng)考慮到設(shè)備中粉碎區(qū)與分級(jí)區(qū)流動(dòng)狀況復(fù)雜，為了保證模擬精度，在上述兩區(qū)域采用逐層加密方式對(duì)其加密。網(wǎng)格類型選用六面體占優(yōu)的非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，最終的網(wǎng)格數(shù)為1 993 988，如圖4所示。

氣相邊界條件：氣流進(jìn)口與物料進(jìn)口采用壓力入口邊界條件，總壓為455.96 kPa與-1 kPa；除塵器出風(fēng)口設(shè)為壓力出口，靜壓為-3 kPa；根據(jù)表1的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，粉碎溫度在120 ℃時(shí)，滅菌效果達(dá)到膨化食品所規(guī)定的微生物菌落數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，因此進(jìn)行模擬時(shí)，氣源溫度為120 ℃，物料進(jìn)口溫度為25 ℃。壁面以及物料出口采用無滑移絕熱邊界條件，并且不考慮系統(tǒng)與外界的傳熱。旋轉(zhuǎn)區(qū)域采用多參考系坐標(biāo)法，轉(zhuǎn)速為600 rad/min，濾筒壁面使用多孔跳躍邊界條件。

顆粒相設(shè)置：粉碎腔內(nèi)顆粒的體積分?jǐn)?shù)小于10%，因此采用離散相模型對(duì)顆粒相進(jìn)行模擬。模擬時(shí)，顆粒粒徑Dp=70 μm，密度為395 kg/m3，溫度為25 ℃。將上述顆粒在圖3所示物料進(jìn)口注入系統(tǒng)中，并在物料出口捕捉顆粒。

圖3 同步粉碎滅菌系統(tǒng)模型Fig.3 Model of synchronous crushing and sterilization system

圖4 同步粉碎滅菌系統(tǒng)模型網(wǎng)格Fig.4 Grid of synchronous crushing sterilization system

3.1.2 烘箱計(jì)算模型及計(jì)算方法

計(jì)算模型：按烘箱實(shí)際尺寸建模，見圖5。利用Gambit劃分網(wǎng)格，整個(gè)模型使用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)為45 000，如圖6所示。

圖5 烘箱模型Fig.5 Oven model

圖6 烘箱模型網(wǎng)格Fig.6 Grid of oven

邊界條件與數(shù)值模型：烘箱干熱殺菌實(shí)驗(yàn)表明，膨化黑米粉在120 ℃下，加熱6 h殺菌效果優(yōu)良，因此,烘箱內(nèi)顆粒傳熱的模擬溫度選擇為120 ℃，具體設(shè)置如下：烘箱壁面設(shè)為輻射壁面條件輻射溫度120 ℃；顆粒初始溫度25 ℃，空氣初始溫度120 ℃；采用多相流模型結(jié)合輻射傳熱模型模擬烘箱內(nèi)的氣流與顆粒對(duì)流輻射傳熱過程。

3.2 粉碎同步滅菌系統(tǒng)內(nèi)溫度分布與滅菌的關(guān)系

圖7為氣源溫度120 ℃時(shí)粉碎同步滅菌系統(tǒng)內(nèi)部溫度分布圖，可以看出系統(tǒng)內(nèi)的溫度分布較均勻，最高溫度較氣源溫度略低，大部分區(qū)域的溫度在100 ℃以上。

圖7 氣源溫度120 ℃時(shí)粉碎同步滅菌系統(tǒng)溫度場Fig.7 Temperature field of comminuted synchronous sterilization system at 120 ℃

圖8為同步滅菌系統(tǒng)氣流匯聚平面溫度分布圖。由圖可知，該平面上氣流溫度變化較大，其原因在于高溫氣流經(jīng)過拉瓦爾噴管后速度接近600 m/s，溫度驟降至-52 ℃；隨著氣流的撞擊匯聚，氣流溫度升高至116 ℃。圖8黑色方框表示的是常溫(25 ℃)空氣與粉碎同步滅菌系統(tǒng)內(nèi)高溫空氣混合后的溫度分布，可以看出，冷熱空氣混合導(dǎo)致局部區(qū)域出現(xiàn)溫度較低的情況。從總體上看，系統(tǒng)內(nèi)溫度分布較均勻，僅在粉碎腔與物料進(jìn)口相交區(qū)域，以及氣流超音速區(qū)域出現(xiàn)了溫度較低的情況，因此，該系統(tǒng)能為滅菌提供良好的溫度條件。

圖8 氣源溫度120 ℃時(shí)粉碎同步滅菌系統(tǒng) 氣流匯聚平面溫度場Fig.8 Plane temperature field of comminuted synchronous sterilizing system at 120 ℃

3.3 顆粒溫升與滅菌速率的關(guān)系

圖9a為粉碎同步滅菌系統(tǒng)設(shè)備中顆粒溫度隨時(shí)間變化的曲線，圖9a紅色箭頭所指為顆粒在進(jìn)入系統(tǒng)0.03 s內(nèi)顆粒溫度隨時(shí)間變化曲線。由圖可以看出，當(dāng)顆粒剛進(jìn)入系統(tǒng)時(shí)，顆粒溫度梯度變化較大，從25 ℃變化到115 ℃僅用了0.35 s，顆粒進(jìn)入了超音速射流區(qū)域，由于超音速射流溫度較低，導(dǎo)致顆粒溫度降低，如圖9a紅色箭頭所指，但是在系統(tǒng)中的顆粒只要不進(jìn)入超音速區(qū)域，顆粒溫度始終與設(shè)備內(nèi)氣流溫度保持一致，為110 ℃左右。圖9b為烘箱內(nèi)顆粒溫度與時(shí)間的關(guān)系，由圖可以看出，烘箱內(nèi)顆粒溫度在600 s(10 min)內(nèi)時(shí)近似為線性增長，而10 min后，顆粒升溫變慢，逐漸到達(dá)120 ℃，烘箱內(nèi)顆粒溫度上升到120 ℃所用時(shí)間為42 min。

圖10是在粉碎同步滅菌系統(tǒng)設(shè)備內(nèi)顆粒駐留時(shí)間與速度的變化曲線，圖10紅色箭頭所指為顆粒進(jìn)入系統(tǒng)0.35 s內(nèi)顆粒駐留時(shí)間與顆粒速度曲線。由圖可以看出，顆粒在設(shè)備內(nèi)跟隨氣體流動(dòng)，始終處于流動(dòng)狀態(tài)(流態(tài)化)，在流態(tài)化下，顆粒與顆粒碰撞頻率變大，與氣體傳熱效率增加，使得顆粒溫度在極短時(shí)間內(nèi)與流體溫度保持一致，當(dāng)顆粒進(jìn)入超音速區(qū)域后，顆粒速度迅速增加，顆粒碰撞粉碎時(shí)，粒徑減小，氣固對(duì)流傳熱系數(shù)的比值增大，傳熱效率驟增。

a 系統(tǒng)內(nèi)

b 烘箱內(nèi)圖9 顆粒溫度與時(shí)間的關(guān)系Fig.9 Relationship between particle temperature and time

圖10 顆粒速度隨時(shí)間變化曲線Fig.10 Particle velocity versus time curve

需要指出的是，超音速區(qū)域所形成的低溫、亞真空狀態(tài)也會(huì)加劇細(xì)菌的死亡，瞬間的高-低溫轉(zhuǎn)換，使得細(xì)菌的生存環(huán)境變得惡劣，而且，亞真空狀態(tài)會(huì)加速細(xì)菌內(nèi)水分流失，進(jìn)而導(dǎo)致細(xì)菌的死亡。因此，高溫粉碎滅菌實(shí)驗(yàn)中顆粒的高效滅菌是在多種因素作用的共同結(jié)果，其中，顆粒溫度與氣源溫度保持一致是保證滅菌效果的重要條件，而高溫氣流與顆粒間的高傳熱率是保證顆粒滅菌速率的前提條件。

4 結(jié)論與展望

本文中在建立的高溫粉碎同步滅菌實(shí)驗(yàn)平臺(tái)基礎(chǔ)上，探討不同溫度下膨化黑米粉粉碎后的微生物量；對(duì)比膨化黑米粉干熱滅菌與粉碎滅菌的時(shí)間，并結(jié)合CFD數(shù)值模擬，深入分析膨化黑米粉在粉碎同步滅菌平臺(tái)內(nèi)的高效滅菌機(jī)理，得出以下結(jié)論:

1)基于建立的高溫粉碎同步滅菌實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，氣源溫度在120、150 ℃時(shí)，膨化黑米粉菌落總數(shù)小于0.1萬cfu/g，D50≤70 μm。

2)高溫粉碎同步滅菌實(shí)驗(yàn)得出120 ℃時(shí)的滅菌時(shí)間為5 min，而相同溫度下的干熱實(shí)驗(yàn)，需6 h才能完成滅菌，高溫粉碎同步滅菌方式的時(shí)間僅為干熱滅菌方式的1/72。

3)利用CFD數(shù)值模型，模擬了2種實(shí)驗(yàn)條件下顆粒溫度變化，闡明了高溫粉碎同步滅菌平臺(tái)高效滅菌機(jī)理，并得出結(jié)論：高溫環(huán)境仍是膨化黑米粉在高溫粉碎設(shè)備內(nèi)滅菌的重要條件，顆粒升溫速度是影響高溫滅菌速率的主要因素。

4)在有超音速氣流存在時(shí)，細(xì)菌的快速致死機(jī)理未在本文做詳細(xì)探討，且現(xiàn)有文獻(xiàn)中也未有相關(guān)記載，故此，超音速氣流如何影響滅菌效率將是下一步的研究重點(diǎn)。