一種可實(shí)現(xiàn)固體食品高溫短時(shí)處理的實(shí)驗(yàn)裝置及方法

白雪嫄,趙思瑤,欒東磊*

1(上海海洋大學(xué),食品熱加工工程技術(shù)中心,上海,201306)2(上海海洋大學(xué) 食品學(xué)院,上海,201306)

殺菌是食品加工領(lǐng)域的核心技術(shù)。雖然研究者持續(xù)在探究新型殺菌技術(shù),但熱處理始終是當(dāng)前最有效,應(yīng)用最廣泛的方法[1-2]。傳統(tǒng)熱處理利用熱水或蒸氣對(duì)包裝食品進(jìn)行殺菌處理,加熱時(shí)間較長(zhǎng),容易對(duì)產(chǎn)品的營(yíng)養(yǎng)成分和感官特性造成較大損傷,無法滿足當(dāng)今消費(fèi)者不斷增長(zhǎng)的對(duì)高品質(zhì)、高營(yíng)養(yǎng)價(jià)值即食食品的需求[3-4]。因此,研究者一直致力于研究能夠大幅提高產(chǎn)品品質(zhì)的新型熱處理技術(shù)和方法。食品熱加工過程中微生物熱失活動(dòng)力學(xué)和食品營(yíng)養(yǎng)成分熱損失規(guī)律研究表明:熱處理溫度每升高10 ℃,食品中營(yíng)養(yǎng)成分的熱損失速率加倍,而微生物致死效率提高10倍[5]。因此,理論上高溫短時(shí)(high-temperature short-time processing, HTST)處理可以在保證微生物安全的同時(shí),大幅降低食品品質(zhì)的損失,提高產(chǎn)品品質(zhì)。近年來,高溫短時(shí)處理已經(jīng)在液體食品的加工中得到了廣泛的應(yīng)用[6-7]。但是對(duì)于固體食品,受限于食品本身緩慢的傳熱速率,傳統(tǒng)加熱方式難以實(shí)現(xiàn)固體食品的快速加熱,因此,關(guān)于高溫短時(shí)處理對(duì)固體食品中的品質(zhì)變化和微生物耐熱性的影響研究很少。

在近年來發(fā)展的新型食品加工技術(shù)中,微波殺菌是首個(gè)通過美國(guó)食品藥品監(jiān)督管理局(Food and drug administration, FDA)安全認(rèn)證的殺菌技術(shù)[8],微波加熱可以穿透到固體食品內(nèi)部實(shí)現(xiàn)高溫短時(shí)殺菌[9],是生產(chǎn)高品質(zhì)即食食品的理想技術(shù),已成為食品加工領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。與傳統(tǒng)熱處理相比,微波加熱具有潛在的非熱效應(yīng)影響。微波場(chǎng)在巴氏殺菌處理中對(duì)微生物及營(yíng)養(yǎng)成分的非熱效應(yīng)已經(jīng)被證實(shí)[10],但是高溫下微波場(chǎng)非熱效應(yīng)的影響規(guī)律尚不清楚,公眾對(duì)微波殺菌的化學(xué)安全存在疑慮。在微波殺菌過程中,微波場(chǎng)的熱與非熱效應(yīng)共同作用,為研究微波場(chǎng)的非熱效應(yīng),就需要把熱效應(yīng)和非熱效應(yīng)完全分開,實(shí)驗(yàn)中常采用同步升溫法,即通過控制微波處理和傳統(tǒng)處理的參數(shù),使2種處理方式具有相同的升溫速率,獲得相同的時(shí)間溫度曲線,從而使2種方式處理下的樣品經(jīng)歷相同的熱效應(yīng),通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果,排除微波處理中熱效應(yīng)的影響,分析微波場(chǎng)的非熱效應(yīng)。在實(shí)驗(yàn)中如何設(shè)計(jì)傳統(tǒng)處理方式,使其能夠匹配微波處理的升溫速率,獲得相同的時(shí)間溫度曲線,是實(shí)現(xiàn)該研究方法的關(guān)鍵。因此,提高傳統(tǒng)處理的升溫速率,實(shí)現(xiàn)固體食品樣品的高溫短時(shí)處理是深入研究微波場(chǎng)非熱效應(yīng)的基礎(chǔ),開發(fā)能夠?qū)崿F(xiàn)固體食品高溫短時(shí)處理的實(shí)驗(yàn)裝置可為微波殺菌的深入研究及工藝優(yōu)化提供研究平臺(tái)。

固體食品的傳熱速率主要受限于其極低的熱傳導(dǎo)系數(shù)。而對(duì)于特定固體食品,其傳熱速率主要受溫差和樣品厚度的影響。因此,在以往的研究中,研究人員對(duì)熱處理的參數(shù)做了大量?jī)?yōu)化改進(jìn),包括提高加熱溫度和降低樣品厚度,以提高傳熱速率。CHUNG等[11]研制了一種以油為加熱介質(zhì),容積為1 mL的加熱裝置,用于評(píng)價(jià)低酸性食品中細(xì)菌芽孢的耐熱性。使用該裝置處理樣品在121 ℃油浴中加熱,加熱時(shí)間大幅縮短,可以對(duì)半固體和固體食品樣品實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)升溫。但是該裝置加熱腔尺寸太小,可容納的食品樣品尺寸極為有限,樣品厚度受限于加熱腔高度,最多僅為1.3 mm。其升溫速率與正常尺寸的固體食品在熱加工過程中的升溫速率完全不同。此外,該裝置加熱樣品的升溫速率取決于油浴溫度,無法調(diào)節(jié)。因此,該裝置不適于研究不同高溫短時(shí)處理對(duì)固體食品的影響。

本研究的目的是在計(jì)算機(jī)模擬的輔助下研發(fā)一種能夠?qū)腆w食品實(shí)現(xiàn)高溫短時(shí)處理的實(shí)驗(yàn)裝置,采用該裝置對(duì)樣品進(jìn)行加熱處理,分析裝置的加熱性能,研究固體食品樣品的平均升溫速率及可調(diào)節(jié)范圍,并對(duì)計(jì)算機(jī)模型進(jìn)行優(yōu)化和預(yù)測(cè)。該裝置可用于研究高溫短時(shí)處理對(duì)固體食品的品質(zhì)變化和微生物耐熱性的影響,為深入研究微波殺菌新技術(shù)提供技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

冷凍大西洋三文魚(Salmo salar,原產(chǎn)國(guó)智利),美威(水產(chǎn))上海有限公司。

PICOVACQ/1TC移動(dòng)式無線金屬溫度傳感器,法國(guó)TMI-ORION公司;HENKELMAN JUMBO 35真空包裝機(jī),荷蘭HENKELMAN公司;SYSTEC HX-320反壓柜式滅菌器,賽斯太克(上海)貿(mào)易有限公司;DV-20數(shù)顯恒溫油浴鍋,常州金壇良友儀器有限公司。

1.2 設(shè)計(jì)原理

商業(yè)無菌的目標(biāo)殺菌溫度為121.1 ℃[12-13],受常壓下水的沸點(diǎn)的限制,常規(guī)水浴加熱的最高溫度只能達(dá)到100 ℃。要使樣品能夠被加熱至100 ℃以上,通常使用油浴加熱。但是油的導(dǎo)熱系數(shù)較低,為了提高加熱速率,大幅提高油溫以加大與受熱樣品之間的溫差是最常用的有效方法。然而,如果油溫超過目標(biāo)殺菌溫度,將導(dǎo)致食品表面被過度加熱;限制最高加熱溫度,又將導(dǎo)致樣品的升溫速率受限,且無法調(diào)節(jié),不能實(shí)現(xiàn)升溫速率不同的多種高溫短時(shí)處理,極大的限制了高溫短時(shí)處理對(duì)固體食品中微生物耐熱性和營(yíng)養(yǎng)成分熱損失的影響研究。綜合考慮上述問題,本實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)以高溫油浴(>120 ℃)作為熱源,以提供較大的溫差。同時(shí)將樣品置于一個(gè)密閉的耐壓容器中,使樣品能夠被加熱至100 ℃以上。為了防止食品表面被過度加熱,同時(shí)提高傳熱速率,在耐壓容器內(nèi)部以導(dǎo)熱系數(shù)較大的水為直接加熱介質(zhì),使其在受熱樣品的表面形成包裹水床,通過限制加熱過程中水床的溫度來控制樣品的最高受熱溫度。樣品的升溫速率可以通過改變油浴的溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)。同時(shí),選用具有較高導(dǎo)熱系數(shù)的鋁合金6061作為耐壓容器的制造材料。基于此設(shè)計(jì)原理,本文設(shè)計(jì)了一種用于實(shí)現(xiàn)固體食品高溫短時(shí)處理的實(shí)驗(yàn)裝置。

1.3 傳熱模型

傳熱是指由于溫度差引起的能量轉(zhuǎn)移。只要介質(zhì)內(nèi)或者介質(zhì)之間存在溫差,就一定會(huì)發(fā)生傳熱[14]。在加熱過程中,實(shí)驗(yàn)裝置內(nèi)包括傳導(dǎo)和對(duì)流2種形式的傳熱。物理模型如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置的物理模型Fig.1 Physical model of experimental device

當(dāng)耐壓容器浸沒在高溫油浴中進(jìn)行加熱時(shí),固體(鋁合金、食品樣品)中的傳熱主要受傳導(dǎo)控制,計(jì)算如公式(1)所示:

(1)

式中:T,溫度,℃;t,時(shí)間,s;k,導(dǎo)熱系數(shù),W/m·K;ρ,密度,g/cm3;c,比熱容,J/(g·K)。

油浴和鋁合金容器壁、鋁合金容器壁和水、水和食品樣品表面之間進(jìn)行對(duì)流換熱,由于水床溫度變化引起的密度差異,水床本身也進(jìn)行對(duì)流,在x方向上的計(jì)算如公式(2)所示:

(2)

式中:T∞(t)、Ts(t)分別表示流體(油浴和水床)、固體表面(鋁合金腔體壁面和食品樣品表面)在t時(shí)刻的溫度,℃;h,對(duì)流換熱系數(shù),W/(m2·K)。在y和z方向上用類似邊界方程表示。

為了縮短研究時(shí)間,降低研究成本,在定制耐壓容器前,首先基于建立的物理模型,在計(jì)算機(jī)模擬的輔助下分析設(shè)計(jì)原理的可行性,即該裝置在升溫速率方面是否有可能實(shí)現(xiàn)固體食品樣品的高溫短時(shí)處理。模擬樣品從初始溫度(25 ℃)升至目標(biāo)加熱溫度(120 ℃)的升溫階段,基于數(shù)值模擬所獲的樣品幾何中心溫度數(shù)據(jù),計(jì)算模擬樣品的平均升溫速率。本研究中關(guān)于傳熱的數(shù)值模擬是基于商業(yè)軟件Quickwave(QWED, Warsaw, Poland)的傳熱模塊(heat transfer moudule)建立,該模塊采取有限時(shí)域差分法(finite difference time domain method, FDTD)求解傳熱方程[15-17]。根據(jù)實(shí)驗(yàn)參數(shù),將被加熱的模擬食品的尺寸設(shè)置為60 mm×30 mm×6 mm,綜合考慮食品的尺寸和鋁合金材質(zhì)腔體的耐壓性,將模型腔內(nèi)壁尺寸設(shè)置為100 mm×100 mm×20 mm,壁厚設(shè)置為4 mm。對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分,如圖2所示,在食品中的網(wǎng)格尺寸為30 mm×15 mm×6 mm,在水中的網(wǎng)格尺寸為10 mm×17.5 mm×7 mm。模型的邊界條件設(shè)為熱源,溫度不隨時(shí)間改變,即:在每一次迭代計(jì)算中始終為恒溫,分別設(shè)置為125、145、165、185 ℃。水和食品樣品的初始溫度設(shè)置為25 ℃,模擬傳熱過程中,二者溫度將隨時(shí)間延長(zhǎng)而升高,將水床可達(dá)到的最高溫度設(shè)置為123 ℃,以模擬該實(shí)驗(yàn)裝置在實(shí)際應(yīng)用中對(duì)水床溫度的監(jiān)控和限制,避免食品樣品加熱過度。計(jì)算機(jī)模擬中使用的初始參數(shù)見表1。

表1 計(jì)算機(jī)模擬的初始熱力學(xué)參數(shù)Table 1 Initial thermal parameters for computer simulation

圖2 模型網(wǎng)格劃分圖Fig.2 Mesh division graph of model

1.4 模型優(yōu)化

計(jì)算機(jī)模擬參數(shù)的優(yōu)化過程如圖3所示。水和油的k值隨溫度變化而變化。將調(diào)整k值所執(zhí)行的各個(gè)模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)獲得的時(shí)間-溫度曲線進(jìn)行分析比較,調(diào)整至模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果之間的均方根誤差(root mean square error, RMSE)小于1 ℃,RMSE值越小,模型越精確[20-21]。

A-不同油溫下水的模擬時(shí)間-溫度曲線;B-不同油溫下水的實(shí)驗(yàn)時(shí)間-溫度曲線;C-不同油溫下食品的模擬時(shí)間-溫度曲線;D-不同油溫下食品的實(shí)驗(yàn)時(shí)間-溫度曲線圖3 計(jì)算機(jī)模擬參數(shù)的優(yōu)化過程Fig.3 The optimization process of computer simulation parameters

1.5 高溫短時(shí)處理

利用實(shí)驗(yàn)裝置加熱處理食品樣品,分析樣品的平均升溫速率,樣品溫度能夠達(dá)到目標(biāo)加熱溫度(120 ℃)即可,對(duì)熱處理程度不作要求。選取三文魚為實(shí)驗(yàn)樣品,實(shí)驗(yàn)前,將冷凍三文魚片置4 ℃冰箱解凍12 h。解凍后將其切成大小為60 mm×30 mm×6 mm的塊狀樣品。為滿足商業(yè)無菌要求,食品樣品的測(cè)溫點(diǎn)為樣品在加熱過程中的最冷點(diǎn),即樣品的幾何中心,冷點(diǎn)位置的溫度數(shù)據(jù)采用移動(dòng)式無線金屬溫度傳感器[22]記錄。實(shí)驗(yàn)前先將油浴鍋打開,預(yù)熱至設(shè)定的加熱溫度,并在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中維持溫度穩(wěn)定不變。加熱前,將插入無線金屬溫度傳感器的樣品抽真空包裝,置于注滿水的耐壓容器內(nèi),加蓋密封。將密封好的耐壓容器完全浸沒在預(yù)熱好的油浴中進(jìn)行加熱,觀察與熱電偶相連的數(shù)顯溫度計(jì)的示數(shù)變化,一旦水床溫度達(dá)到指定最高溫度(123 ℃),立即將耐壓容器從油浴中取出,可確保在避免食品樣品受熱過度的同時(shí)實(shí)現(xiàn)快速升溫。若此刻樣品未達(dá)到目標(biāo)加熱溫度,可將耐壓容器懸置于熱油上方,利用水和樣品間的溫差對(duì)食品樣品進(jìn)行保溫處理。處理結(jié)束后立即將耐壓容器置于冰水中冷卻,待溫度降至室溫后,開蓋取出溫度傳感器,讀取樣品的溫度數(shù)據(jù),繪制時(shí)間-溫度曲線,計(jì)算樣品的平均升溫速率,將處理后樣品的平均升溫速率定義為樣品溫度從25 ℃上升至120 ℃的溫度增量與所需時(shí)間的比值,單位為℃/min。

為實(shí)現(xiàn)不同的升溫速率,設(shè)計(jì)了油浴溫度為125、145,165、185 ℃的4個(gè)處理,并分別記為P1、P2、P3和P4處理。水床的最高溫度控制在123 ℃。相同尺寸的三文魚樣品也用柜式蒸汽滅菌釜作加熱處理,用來對(duì)比實(shí)驗(yàn)裝置的加熱效果。高溫短時(shí)處理參數(shù)見表2。每個(gè)處理平行3次。

表2 高溫短時(shí)處理實(shí)驗(yàn)參數(shù)Table 2 Parameters of the designed HTST processing

2 結(jié)果與分析

2.1 高溫短時(shí)實(shí)驗(yàn)裝置

按照“1.3節(jié)”的參數(shù)設(shè)定進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬,當(dāng)模擬食品的尺寸為60 mm×30 mm×6 mm,且鋁合金耐壓容器內(nèi)壁尺寸為100 mm×100 mm×20 mm,壁厚4 mm 時(shí),預(yù)測(cè)樣品在185 ℃油溫下的平均升溫速率可以達(dá)到18 ℃/min,說明該裝置有潛力實(shí)現(xiàn)固體食品樣品的高溫短時(shí)處理,因此,按該設(shè)定尺寸定制耐壓容器。

實(shí)驗(yàn)裝置整體由熱源和耐壓容器2部分組成,實(shí)物如圖4所示。熱源為二甲基硅油,體積約為15 L,該容量足以使耐壓容器完全浸沒其中。耐壓容器的構(gòu)造示意如圖5-b所示。包括:加熱腔、蓋子、硅膠墊圈、螺絲以及熱電偶。可以容納厚度為4～16 mm,長(zhǎng)度和寬度小于80 mm的食品樣品。容器底部設(shè)計(jì)有熱電偶接口,用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)容器內(nèi)水床的溫度變化。

a-耐壓容器;b-熱源圖4 實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)物圖Fig.4 The physical map of the experimental device

a-實(shí)驗(yàn)裝置;b-耐壓容器1-螺絲;2-蓋子;3-硅膠墊圈;4-食品樣品;5-移動(dòng)式無線金屬溫度傳感器;6-水床;7-熱電偶圖5 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.5 The sketch map of the experimental device

2.2 熱處理樣品的時(shí)間-溫度曲線

經(jīng)實(shí)驗(yàn)裝置和柜式蒸汽滅菌釜處理三文魚樣品的時(shí)間-溫度曲線如圖6所示。圖中每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)均為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差,標(biāo)準(zhǔn)差較小,說明該實(shí)驗(yàn)裝置用于加熱處理固體食品樣品時(shí)具備良好的穩(wěn)定性。在P1、P2、P3和P4處理中,樣品達(dá)到120 ℃所需時(shí)間分別為17.6、8.2、5.9、5.2 min。隨著油浴溫度的升高,加熱時(shí)間明顯縮短。P1、P2、P3和P4處理樣品的平均升溫速率分別為5.4、11.6、16.1、18.3 ℃/min。滅菌釜處理樣品的平均升溫速率為8.8 ℃/min,與傳統(tǒng)滅菌釜處理相比,該實(shí)驗(yàn)裝置可以有效提高三文魚樣品的平均升溫速率,滿足對(duì)固體食品樣品實(shí)現(xiàn)高溫短時(shí)處理的設(shè)計(jì)要求。此外,參考已報(bào)道的關(guān)于工業(yè)微波殺菌系統(tǒng)高溫處理固體食品樣品的研究,其微波加熱階段樣品的平均升溫速率約為8.8～17.1 ℃/min[23-25]。采用該裝置處理樣品可以達(dá)到與微波殺菌過程相匹配的升溫速率,可用于進(jìn)一步研究高溫下微波場(chǎng)的非熱效應(yīng)。

圖6 滅菌釜和不同高溫短時(shí)處理三文魚的時(shí)間-溫度曲線Fig.6 Time-temperature profiles with retort and different HTST processing

2.3 模型優(yōu)化

按照?qǐng)D3的流程對(duì)模擬參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,水的導(dǎo)熱系數(shù)隨水溫(25～123 ℃)升高而增大,不同油溫(125、145、165、185 ℃)下,油的導(dǎo)熱系數(shù)值不同,詳見表3。

表3 計(jì)算機(jī)模擬中油和水的導(dǎo)熱系數(shù)Table 3 Thermal conductivity of oil and water for computer simulation

將模擬樣品的時(shí)間-溫度曲線與實(shí)驗(yàn)樣品的時(shí)間-溫度曲線進(jìn)行分析比較,如圖7所示。對(duì)于最高水溫123 ℃,油溫分別為125、145、165、185 ℃的P1、P2、P3、P4處理,模擬樣品的時(shí)間-溫度曲線與實(shí)驗(yàn)曲線的升溫部分(25～120 ℃)匹配良好,模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果之間的RMSE值均為0.8～1 ℃。結(jié)果表明,該計(jì)算機(jī)模型穩(wěn)定精確,在預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)裝置處理固體食品樣品的升溫速率方面是準(zhǔn)確可靠的。

a-P1(125 ℃);b-P2(145 ℃);c-P3(165 ℃);d-P4(185 ℃)圖7 模擬和實(shí)驗(yàn)的時(shí)間-溫度曲線Fig.7 Time-temperature profiles of experiment and simulation

2.4 升溫速率預(yù)測(cè)

理論上,減小樣品厚度是縮短加熱時(shí)間,提高升溫速率的有效方法。利用優(yōu)化后的計(jì)算機(jī)模型對(duì)4 mm樣品在不同油浴溫度(125、145、165、185 ℃)下的平均升溫速率進(jìn)行預(yù)測(cè)。模擬樣品的時(shí)間-溫度曲線如圖8所示。油溫125、145、165、185 ℃的模擬曲線中,樣品達(dá)到120 ℃所需時(shí)間分別為16.0、7.7、6.0和4.5 min。模擬4 mm樣品的平均升溫速率分別為5.9、12.3、15.8、21.1 ℃/min。隨著樣品厚度減小,相應(yīng)油溫下樣品的平均升溫速率明顯增大,可設(shè)計(jì)具有更高升溫速率的高溫短時(shí)處理。但一味減小樣品厚度不適于食品產(chǎn)品的實(shí)際加工過程。因此,為了從根本上大幅提高食品品質(zhì),還需依賴于微波加熱等新型食品加工技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用。

圖8 模擬4 mm樣品的時(shí)間-溫度曲線Fig.8 Simulated time-temperature profiles of 4 mm samples

3 結(jié)論

本研究在計(jì)算機(jī)模擬的輔助下研發(fā)設(shè)計(jì)了一種能夠?qū)腆w食品實(shí)現(xiàn)高溫短時(shí)處理的實(shí)驗(yàn)裝置,分析設(shè)計(jì)的可行性。利用該裝置對(duì)樣品進(jìn)行加熱處理,分析固體食品樣品的平均升溫速率及可調(diào)節(jié)范圍,同時(shí)對(duì)計(jì)算機(jī)模型進(jìn)行優(yōu)化和預(yù)測(cè)。該裝置以油浴作為熱源,利用高溫油浴加熱水床,進(jìn)而加熱食品樣品,可以在避免食品過度加熱的同時(shí)實(shí)現(xiàn)快速升溫。隨著熱源溫度的升高(125～185 ℃),三文魚樣品的平均升溫速率從5.4 ℃/min提高至18.3 ℃/min,可與微波高溫殺菌過程的升溫速率相匹配。計(jì)算機(jī)模型精確穩(wěn)定,隨著樣品厚度的減小,預(yù)測(cè)平均升溫速率可以進(jìn)一步提高。實(shí)驗(yàn)裝置加熱性能穩(wěn)定,重復(fù)性好,操作簡(jiǎn)單,可為系統(tǒng)研究高溫短時(shí)處理對(duì)固體食品品質(zhì)變化和微生物耐熱性的影響提供技術(shù)支持,為微波殺菌新技術(shù)的深入研究提供研究平臺(tái)。