用于研究微生物熱致死動力學的可控加熱速率的加熱板系統

李 瑞, 寇小希, 王紹金,2

(1. 西北農林科技大學 機械與電子工程學院, 陜西 楊凌 712100；2. 華盛頓州立大學 生物系統工程系, 美國 普爾曼 99164-6120)

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用于研究微生物熱致死動力學的可控加熱速率的加熱板系統

李 瑞1, 寇小希1, 王紹金1,2

(1. 西北農林科技大學 機械與電子工程學院, 陜西 楊凌 712100；2. 華盛頓州立大學 生物系統工程系, 美國 普爾曼 99164-6120)

設計了一種用于研究微生物熱致死動力學的可控加熱速率的加熱板系統,該系統包含鋁制上加熱板、下加熱板、加熱片、6個抽拉盒和6個樣品單元、PID溫度控制器、數據控制采集軟件和計算機。實驗結果表明，該可控加熱速率的加熱板系統工作時,上下加熱板的溫度與樣品溫度基本一致,設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力學提供了研究基礎。

微生物； 加熱板系統； 技術設計

目前,因感染食源性致病菌造成的食品安全事故屢有發生。比如:2001年和2004年,在美國出口到加拿大的巴旦木中,就出現過因感染沙門氏菌而引發的疾病事件,對巴旦木加工業造成了不可估量的經濟損失[1]；2009 年美國發生了因食用感染沙門氏菌的花生醬與開心果造成了9 人死亡的惡性事件[2]；2009 年和2010年美國發生了因食用感染沙門氏菌的辣椒粉和胡椒粉造成了食物中毒事件[3]。可見,在農產品加工、貯藏以及運輸過程中,研究致病菌的控制技術就顯得格外重要與迫切。要研究致病菌的控制技術就需要了解熱處理對微生物的致死作用即微生物的熱致死動力學。

國內外研究微生物熱致死動力學的實驗方法有很多。常見的方法有兩種,一種是樣品的直接浸泡加熱法,另一種是樣品經一定前處理后的間接加熱法。直接浸泡加熱法最接近實際的加熱環境,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設溫度再恢復至初溫有一個顯著的變溫過程,而研究微生物熱致死動力學的前提是要確保理想的等溫條件下獲得反應速率[4]。因此,直接加熱法不適合研究微生物的熱致死動力學。間接加熱法通常是將樣品前處理后,裝入毛細管、鋁管以及密封加熱單元等設備中開展熱致死動力學研究,比如:使用不同直徑毛細管研究在土豆泥中接種大腸桿菌K12的熱致死動力學[5]；使用鋁管研究大腸桿菌的熱致死動力學[6]；使用密封加熱單元研究去殼蛋中的沙門氏菌和大腸桿菌K12的熱致死動力學[7]。但是由于毛細管中無法裝入固體食物,因此不適合用在研究固體食物中微生物的熱致死動力學。鋁管需要較長的時間達到預設溫度,則可能會導致耐熱蛋白的產生。密封加熱單元TDT cell由于熱導率高、耐腐蝕性好、切削加工性能好等特性用來研究液體,半固體以及固體中微生物的熱致死動力學。影響微生物熱致死動力學的因素包括加熱溫度、加熱時間以及加熱速率[5,8]。用水浴鍋加熱TDT cell可以控制加熱溫度和加熱時間，但是無法對升溫速率這一重要參數進行精確控制。因此急切需要一種可以研究加熱速率、加熱時間和加熱溫度對殺菌效果影響的實驗設備,在保證微生物熱死亡率重復性好的同時,提供足夠且可靠的微生物熱致死數據。

1 技術設計

加熱板系統由加熱單元、溫度控制器和計算機組成,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個抽拉盒和6個樣品單元。6個抽拉盒內部結構如圖2所示,樣品單元內部結構如圖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程中,為系統提供平滑的溫度分布曲線,且在設定溫度不超過120 ℃時,可實現0.1～15 ℃/min的加熱速率調節。8個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,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加熱并快速取出置于冰水中冷卻。

圖1 微生物熱致死動力學的加熱板系統外觀示意圖

圖2 抽拉盒的內部結構

圖3 樣品單元的內部結構

樣品單元由底部和蓋子通過螺紋進行聯接,通過O型橡膠圈進行密封。可放入1 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、固態繼電器。T型熱電偶溫度傳感器連接加熱板,用來測量加熱板上下底板的溫度；PID控制器接收計算機中的指令；變壓器主要是改變電壓和電流；固態繼電器主要是接通和斷開電路。計算機主要包含采用Visual Basic語言編寫的控制軟件,通過控制軟件設置參數,將參數指令傳送給PID控制器,根據設定的參數固態繼電器開始工作,從而實現對加熱溫度的控制,同時顯示和保存加熱過程中的實時數據,實現數據采集。

2 可控加熱速率的加熱板系統操作過程

將加熱板系統接上電源后,先打開計算機和溫度控制器電源開關,在計算機中運行控制軟件,并設置加熱板系統的參數,主要是加熱速率、加熱初始溫度、最終溫度和保溫時間；然后將樣品放入樣品單元中,擰緊螺紋。將6個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,打開溫度控制器加熱開關,啟動固態繼電器開始加熱,熱量經由鋁制上下板快速傳遞至樣品單元中,繼而實現對樣品的加熱控制。加熱保溫期間,根據實驗要求,間隔取出樣品抽拉盒進行冷卻和其他工作。加熱結束后,關閉加熱板系統程序。

3 實驗結果與分析

3.1 加熱板系統溫度的穩定性測量

加熱板的溫度高于90 ℃且加熱時間持續1 min可以殺滅大部分的有害菌[9-12],所以設計實驗時選擇了90、95、100 ℃。為了驗證加熱板系統溫度的穩定性,每個溫度下采用手持式熱電偶直接測量樣品單元的溫度3次,取其平均值與T型熱電偶測量的溫度進行對比,測試結果見表1。結果顯示T型熱電偶傳感器的溫度(加熱板系統顯示的溫度)與用手持式熱電偶測的溫度差值很小(ΔTmax=0.1 ℃),說明設計的加熱板系統溫度很穩定。

表1 加熱板系統溫度的穩定性測量

3.2 加熱板系統加熱速率的穩定性測量

加熱板可實現0.1～15 ℃/min的加熱速率調節,因此驗證加熱速率的穩定性選擇以下6種加熱速率來驗證，結果見表2。

表2 加熱板系統加熱速率的穩定性測量

測試結果顯示，設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,說明設計的加熱板系統加熱速率的穩定性良好。

4 結論

本文設計的可控加熱速率的加熱板系統可以為微生物提供一個理想可控的均勻加熱環境,可以系統地研究不同加熱速率、加熱時間以及加熱溫度條件下微生物的熱致死動力學,具有實用價值。

References)

[1] Centers for Disease Control and Prevention. Outbreak of Salmonella serotype Enteritidis infections associated with raw almonds-United States and Canada， 2003-2004[J]. Morbidity and Mortality Weekly Report，2004, 53: 484-487.

[2] Wahba P, Chasan E. Salmonella-hit peanut company files for bankruptcy[J/OL]. Reuters，2009. http://www.reuters.com/article/businessNews/idUSTRE51C67C20090213.

[3] Van Doren J M, Neil K P, Parish M, et al. Foodborne illness outbreaks from microbial contaminants in spices[J]. Food Microbiology，2013, 36(2):456-464.

[4] Dolan K D. Estimation of kinetic parameters for nonisothermal food processes [J]. Journal of Food Science，2003, 68(3):728-741.

[5] Hyun-Jung C, Shaojin W, Juming T. Influence of heat transfer with tube methods on measured thermal inactivation parameters for Escherichia coli[J]. Journal of food protection，2007,70(4):851-859.

[6] Buchner C, Thomas S, Jaros D, et al. Fast-responding thermal-death-time tubes for the determination of thermal bacteria inactivation[J]. Engineering in Life Sciences，2012,12(1):109-112.

[7] Jin T, Zhang H, Boyd G, et al. Thermal resistance of Salmonella enteritidis and Escherichia coli K12 in liquid egg determined by thermal-death-time disks [J]. Journal of Food Engineering，2008, 84(4):608-614.

[8] Lee S Y, Kang D H. Combined effects of heat, acetic acid, and salt for inactivating Escherichia coli O157: H7 in laboratory media [J]. Food Control，2009,20(11):1006-1012.

[9] Harris L J, Uesugi A R, Abd S J, et al. Survival of Salmonella enteritidis PT 30 on inoculated almond kernels in hot water treatments [J]. Food Research International，2012,45(2):1093-1098.

[10] Mazzotta A S. Thermal inactivation of stationary-phase and acid-adapted Escherichia coli O157: H7, Salmonella, and Listeria monocytogenes in fruit juices[J]. Journal of Food Protection，2001,64(3):315-320.

[11] Pan Z, Bingol G, Brandl M T, et al. Review of current technologies for reduction of Salmonella populations on almonds [J]. Food and Bioprocess Technology，2012,5(6):2046-2057.

[12] Sevilla K P, Gabriel A A. D values of Escherichia coli in tilapia meat [J]. Journal of Muscle Foods，2010,21(2):167-176.

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

國家自然科學基金項目(31371853)；教育部2012年博士點基金項目(20120204110022)

李瑞(1985—)，女，陜西綏德，在讀博士研究生，實驗師，主要從事食品與農產品加工技術研究.

E-mail：ruili1216@nwsuaf.edu.cn

TS207.3

B

1002-4956(2016)11-0099-03