用于研究微生物热致死动力学的可控加热速率的加热板系统

李 瑞, 寇小希, 王绍金,2

(1. 西北农林科技大学 机械与电子工程学院, 陕西 杨凌 712100；2. 华盛顿州立大学 生物系统工程系, 美国 普尔曼 99164-6120)



用于研究微生物热致死动力学的可控加热速率的加热板系统

李 瑞1, 寇小希1, 王绍金1,2

(1. 西北农林科技大学 机械与电子工程学院, 陕西 杨凌 712100；2. 华盛顿州立大学 生物系统工程系, 美国 普尔曼 99164-6120)

设计了一种用于研究微生物热致死动力学的可控加热速率的加热板系统,该系统包含铝制上加热板、下加热板、加热片、6个抽拉盒和6个样品单元、PID温度控制器、数据控制采集软件和计算机。实验结果表明，该可控加热速率的加热板系统工作时,上下加热板的温度与样品温度基本一致,设置的加热速率与样品的加热速率基本一致,这为研究微生物的热致死动力学提供了研究基础。

微生物； 加热板系统； 技术设计

目前,因感染食源性致病菌造成的食品安全事故屡有发生。比如:2001年和2004年,在美国出口到加拿大的巴旦木中,就出现过因感染沙门氏菌而引发的疾病事件,对巴旦木加工业造成了不可估量的经济损失[1]；2009 年美国发生了因食用感染沙门氏菌的花生酱与开心果造成了9 人死亡的恶性事件[2]；2009 年和2010年美国发生了因食用感染沙门氏菌的辣椒粉和胡椒粉造成了食物中毒事件[3]。可见,在农产品加工、贮藏以及运输过程中,研究致病菌的控制技术就显得格外重要与迫切。要研究致病菌的控制技术就需要了解热处理对微生物的致死作用即微生物的热致死动力学。

国内外研究微生物热致死动力学的实验方法有很多。常见的方法有两种,一种是样品的直接浸泡加热法,另一种是样品经一定前处理后的间接加热法。直接浸泡加热法最接近实际的加热环境,但受到加热方法与食品传热速度的影响,样品由初温加热至预设温度再恢复至初温有一个显著的变温过程,而研究微生物热致死动力学的前提是要确保理想的等温条件下获得反应速率[4]。因此,直接加热法不适合研究微生物的热致死动力学。间接加热法通常是将样品前处理后,装入毛细管、铝管以及密封加热单元等设备中开展热致死动力学研究,比如:使用不同直径毛细管研究在土豆泥中接种大肠杆菌K12的热致死动力学[5]；使用铝管研究大肠杆菌的热致死动力学[6]；使用密封加热单元研究去壳蛋中的沙门氏菌和大肠杆菌K12的热致死动力学[7]。但是由于毛细管中无法装入固体食物,因此不适合用在研究固体食物中微生物的热致死动力学。铝管需要较长的时间达到预设温度,则可能会导致耐热蛋白的产生。密封加热单元TDT cell由于热导率高、耐腐蚀性好、切削加工性能好等特性用来研究液体,半固体以及固体中微生物的热致死动力学。影响微生物热致死动力学的因素包括加热温度、加热时间以及加热速率[5,8]。用水浴锅加热TDT cell可以控制加热温度和加热时间，但是无法对升温速率这一重要参数进行精确控制。因此急切需要一种可以研究加热速率、加热时间和加热温度对杀菌效果影响的实验设备,在保证微生物热死亡率重复性好的同时,提供足够且可靠的微生物热致死数据。

1 技术设计

加热板系统由加热单元、温度控制器和计算机组成,如图1所示。加热单元包括铝制上加热板、下加热板、加热片、6个抽拉盒和6个样品单元。6个抽拉盒内部结构如图2所示,样品单元内部结构如图3所示。上下加热板选择铝制材料，主要是由于铝材的低热容(903 J/kg℃)、高传热(234 W/m℃)性能,从而在加热和保温过程中,为系统提供平滑的温度分布曲线,且在设定温度不超过120 ℃时,可实现0.1～15 ℃/min的加热速率调节。8个定做的硅橡胶柔性加热片粘在上下加热板的表面,提供可控的热流密度。样品单元固连在抽拉盒内,6套抽拉盒均匀放置在下加热板中。抽拉盒可以方便地推入加热板内加热并快速取出置于冰水中冷却。

图1 微生物热致死动力学的加热板系统外观示意图

图2 抽拉盒的内部结构

图3 样品单元的内部结构

样品单元由底部和盖子通过螺纹进行联接,通过O型橡胶圈进行密封。可放入1 mL液体或1 g固体样品量,更好地保证升温迅速和受热均匀性。温度控制器包括T型热电偶温度传感器、PID控制器、变压器、固态继电器。T型热电偶温度传感器连接加热板,用来测量加热板上下底板的温度；PID控制器接收计算机中的指令；变压器主要是改变电压和电流；固态继电器主要是接通和断开电路。计算机主要包含采用Visual Basic语言编写的控制软件,通过控制软件设置参数,将参数指令传送给PID控制器,根据设定的参数固态继电器开始工作,从而实现对加热温度的控制,同时显示和保存加热过程中的实时数据,实现数据采集。

2 可控加热速率的加热板系统操作过程

将加热板系统接上电源后,先打开计算机和温度控制器电源开关,在计算机中运行控制软件,并设置加热板系统的参数,主要是加热速率、加热初始温度、最终温度和保温时间；然后将样品放入样品单元中,拧紧螺纹。将6个备好的样品抽拉盒依次放入加热板中。PID控制器接收到控制软件的指令,打开温度控制器加热开关,启动固态继电器开始加热,热量经由铝制上下板快速传递至样品单元中,继而实现对样品的加热控制。加热保温期间,根据实验要求,间隔取出样品抽拉盒进行冷却和其他工作。加热结束后,关闭加热板系统程序。

3 实验结果与分析

3.1 加热板系统温度的稳定性测量

加热板的温度高于90 ℃且加热时间持续1 min可以杀灭大部分的有害菌[9-12],所以设计实验时选择了90、95、100 ℃。为了验证加热板系统温度的稳定性,每个温度下采用手持式热电偶直接测量样品单元的温度3次,取其平均值与T型热电偶测量的温度进行对比,测试结果见表1。结果显示T型热电偶传感器的温度(加热板系统显示的温度)与用手持式热电偶测的温度差值很小(ΔTmax=0.1 ℃),说明设计的加热板系统温度很稳定。

表1 加热板系统温度的稳定性测量

3.2 加热板系统加热速率的稳定性测量

加热板可实现0.1～15 ℃/min的加热速率调节,因此验证加热速率的稳定性选择以下6种加热速率来验证，结果见表2。

表2 加热板系统加热速率的稳定性测量

测试结果显示，设置的加热板速率与用外置热电偶算出的加热速率差值为0.01 ℃/min,说明设计的加热板系统加热速率的稳定性良好。

4 结论

本文设计的可控加热速率的加热板系统可以为微生物提供一个理想可控的均匀加热环境,可以系统地研究不同加热速率、加热时间以及加热温度条件下微生物的热致死动力学,具有实用价值。

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

国家自然科学基金项目(31371853)；教育部2012年博士点基金项目(20120204110022)

李瑞(1985—)，女，陕西绥德，在读博士研究生，实验师，主要从事食品与农产品加工技术研究.

E-mail：ruili1216@nwsuaf.edu.cn

TS207.3

B

1002-4956(2016)11-0099-03