（食品科学专业论文）高温过程中食品模拟物传热的研究.pdf

摘要 摘要 固体食品的热物理性质是验证流态化固体超高温杀菌传热学的关键条件，在微珠状 热敏电阻传热模型的基础上，提出适用于食品热物理性质的测量方法，同时研究标定物、 介质大小和加热功率对该方法的影响。结果表明以水和甘油为标定物所得到的热敏电阻 的特性参数具有最高的准确度，对标准样品导热系数测量的最大相对误差为5 0 2 ；热 敏电阻法适用于食品介质导热系数的测量，通过热敏电阻法和热探针法得到样品的导热 系数相对偏差小于4 ；并进一步研究了食品导热系数和温度之间的关系，在o 1 0 0 ， 食品导热系数和温度成正相关线性关系。 使用魔芋葡甘聚糖热不可逆凝胶( g - k g m ) 构建新型食品模拟物，并在热物理性质 方面验证其适合用作食品模拟物，使用耐高温a 淀粉酶作为指示剂，利用毛细管胶囊包 埋技术构建了适合高温研究的时间温度积分器( t t i s ) ，并对其热失活动力学模型进行 测定和验证，其z 值为3 5 3 4 ，e a 值为6 3 2k j m o l ，结果证明所制作的t t i s 具有足 够的准确性和实用性。 对构建的食品模拟系统进行验证。将食品模拟系统置于湍流热水中加热，测定实际 技术参数，然后理论计算相应的技术参数值，从而对新型食品模拟系统进行校验，结果 表明该食品模拟系统满足验证试验的要求。在流态化固体超高温设备上采用t t i s 方法 采集以油脂为流动相的液固流态化超高温杀菌过程中魔芋凝胶试样颗粒中心温度，通过 最小绝对致死率差方法( l a l d ) 法计算出表面换热系数b 值。测算数值与预测值接 近，说明流态化超高温杀菌传热学理论基础和计算方法是合理的。 关键词：流态化超高温杀菌热物理性质热敏电阻法时间温度积分器 食品模拟物 a b s t r a c t t h et h e r m o p h y s i c a lp r o p e r t i e so fs o l i df o o di sak e yv e r i f i e dc o n d i t i o no fh e a t t r a n s f e r a b o u tf l u i d i z a t i o ns o l i df o o d su h ts t e r i l i z a t i o n ，am e t h o du s i n gat i n yt h e r m i s t o ra sh e a t t r a n s f e rm o d e lh a sb e e nd e v e l o p e dt om e a s u r et h e r m a lc o n d u c t i v i t yo ff o o d ，a n da n a l y s i so f i n f l u e n c eo ft h ec a l i b r a t i o n ，t h em e d i u ms i z ea n dh e a t i n gp o w e r 1 1 b er e s u t ss h o w e dt h a t w a t e ra n dg l y c e r i na sc a l i b r a t i o no ft h et h et h e r m i s t o rh a v eh i g h e ra c c u r a c y , m a x i m u m m e a s u r e m e n tr e l a t i v ee r r o ro ft h e r m a lc o n d u c t i v i t yf o rs o m es t a n d a r ds a m p l e si s 5 0 2 t h e r m i s t o rb a s e dm e t h o da p p l i e st ot h e c o n d u c t i v i t ym e a s u r e m e n to ff o o dm e d i u m t h e r e l a t i v ed e v i a t i o no ft h e r m a lc o n d u c t i v i t yf o rs a m p l e si s1 e s st h a n4 b yt h e r m i s t o rb a s e d m e t h o da n dh e a tp r o b em e t h o d a n df u r t h e rr e s e a r c ho nt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e n t e m p e r a t u r e a n dt 1 1 e r m a l c o n d u c t i v i t yo ff o o d ，t h e r ei s ah i g h1 i n e a rp o s i t i v ec o n e l a t i o nb e t w e e n t e m p e r a t u r ea n dt h e r m a lc o n d u c t i v i t yo ff o o da tt h es a l t l et e m p e r a t u r ef r o m0t o1o o t h ef o o da n a l o gw a sf a b r i c a t e db yt h eh e a td i s r e v e r s i b l eg e l so fk o n j a cg l u c o m a n n a n ( g 。k g m ) t h eg k g mw a sp r o v e dt of i tf o rt h ef o o da n a l o gt h r o u g ha n a l y s i so fi t s t h e r m o p h y s i c a lp r o p e r t i e s t h et t i su s e di nh i g ht e m p e r a t u r ew a sc o m p o s e do fm a r k e r s w h i c he m b e d e di nc a p i l l a r yc a p s u l e 而em e n s u r a t i o no fh e a tl e t h a lk i n e t i c sw a sc a r r i e do u t f o rt h et t i s ，a n dt h ezv a l u ei s3 5 3 4 ，t h ee av a l u ei s6 3 2k j m 0 1 t h e s ed a t as u g g e s t e dt h a t t h et t i si se x a c t l ya n da p p l i c a b l y a ni n v e s t i g a t i o nw a sc a r r i e do u tf o rt h en e wf o o dm o d e ls y s t e m t h es y s t e mw a sh e a t t r e a t e db yo v e r f a l lh e a t w a t e r ，a n dt h ec o r r e l a t i v ep a r a m e t e sw e r ed e t e r m i n e d t h e s e p a r a m e t e sa l s oo b s e r v e db yt h e o r e t i c a lc a l c u l a t i n g n er e s u l tw a sa g r e e dw i t ht h er e q u e s to f t h ef o o dm o d e ls y s t e m n es u r f a c eh e a te x c h a n g ec o e f f i c i e n t 坳w e r e c o m p u t e db yt h el e a s t a b s o l u t el e t h a l i t yd i f f e r e n c e ( l a l d ) m e t h o df r o me x p e r i m e n t a lc e n t e rt e m p e r a t u r ed a t ao f g 。k g ms a m p l e sw h i c hw e r ea c q u i r e db ys t a t i ct h e r m o c o u p l ea s s a yd u r i n gf l u i d i z a t i o ns o l i d f o o d su h ts t e r i l i z a t i o nw i t hf l u i dp h a s eb e i n go i l t h ec o m p u t a t i o nr e s u l t so f w e r ec l o s e t ot h ev a l u ep r e d i c t e d ，h e n c et h eb a s i so fh e a tt r a n s f e rt h e o r ya n dt h ec a l c u l a t i o nm e t h o dw a s a d v i s a b l e k e y w o r d s ：f l u i d i z e d u l t r ah i g ht e m p e r a t u r es t e r i l i z a t i o n t h e r m o p h y s i c a l p r o p e r t i e st h et h e r m i s t o rm e t h o d t i m e - t e m p e r a t u r ei n t e g r a t o r s t h ef o o da n a l o g i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 本人为获得江南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同5 - 作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名： 日期 口“膨 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解江南大学有关保留、使用学位论文的规 定：江南大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、 汇编学位论文，并且本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 签名： 兰金数 导师签名： 日 期： 第一章绪论 第一章绪论 1 1 杀菌技术的发展 食品保藏是一个极具挑战性课题。对于食品，由微生物引起腐败变质比生物化学变 质更显著，其危害性更大，因此，食品保藏技术关键是设法抑制食品体系中微生物生长 繁殖或杀灭微生物。进入2 0 世纪9 0 年代，食品卫生安全问题日益严峻，据统计，美国每 年因食物细菌而染病人数高达7 ，2 0 0 万人( 占总人口3 0 左右) ，死亡人数超过5 ，0 0 0 ， 造成3 ，5 0 0 亿美元损失。据我国卫生部报告，我国每年收至上报数千人食物中毒中，除 意外事故外，大部分均是致病微生物所引起，因此，食品卫生安全越来越受到人们关注。 杀菌技术是食品工程的核心技术之一。它常常是食品加工中决定食品安全、营养和风味 品质的关键工艺，从某种意义上讲，食品工业的发展史就是食品杀菌技术的发展史。它 与人类健康、食品资源的利用效率和产品的商业价值密切相关。 1 8 0 4 年尼古拉阿贝尔发明的密封罐藏技术应用成功，形成了第一种工业杀菌技术 高压杀菌釜杀菌技术，2 0 0 年来得到广泛应用。在上世纪2 0 4 0 年代，b a l l 、b i g e l o w 等人在研究中将微生物致死动力学和传热学结合起来，奠定了该方法的理论基础。近6 0 年来，涌现出许多原理不同于杀菌釜杀菌的新技术，并且其杀菌效果具有明显的优势。 这些技术吸收了其它学科发展的技术成果，通过热、电、声、光、磁、膜等技术手段进 行食品杀菌，通常称之为现代杀菌技术，也称为先进杀菌技术( a l t e r n a t i v es t e r i l i z a t i o n t e c h n o l o g i e s ) 。 主要现代杀菌技术技术手段、原理和应用归纳如表1 1 表1 1 主要现代食品杀茵技术的技术手段，杀菌原理及应用i t , 2 , 3 , 1 t a b 1 1m e t h o d s s t e r i l i z a t i o np r i n c i p l e sa n da p p f i c a t i o n sf o rm a i nm o d e r nf o o ds t e r i l i z a t i o n t e c h n o l o g i e s 江南大学硕1 ：学位论文 5 6 脉冲x 射线次1 0 5 0 - 3 1 。0 0 0 n s g 次i g a 屈w 蒹d n a 和细胞质膜破坏薹验研究，用于保 脉冲x 射线次5 3 0脉和细胞质膜破坏 = “”。” 冲 1 7 0 t 02 6 0 0 h m 脉冲强光杀菌0 0 1t o5 0 j c m 2 强烈白光闪照 7振荡磁场 透明物料包装的 蛋白质和核酸破坏食品表面以及食 品保鲜 耋竺二三。5 0 0 k h z 蛋白质失活实验研究阶段 惜白丽骺征宜酴腓牙i 阶田 磁场处理 出h 佻八峒芡似圳儿驯仪 8 液竺兰苎耋篓苎超篓竺食品高效换热 热致死广泛工业应用 高温杀菌u h t加热 一 一“。 9 液竺耋苎望接式超篓竺食品注入高温 热致死 广泛工业应用 。 高温杀菌u h t蒸汽 “一。 7 一一一“。 l o 高压杀菌 1 1 电离辐射 1 2 微波杀菌 1 3 欧姆杀菌 压1 0 0 - 1 0 0 0 胁黼黧墨黧黧毅 压 d n a 破坏、蛋白质变性“：二：。：”“ 粼0 k e v - 5 m e v 电x 然耋茎鬟撼霾裕罢 2 9 4 1 5 5 m 8 h z z 翟磁波热萎袅主喜某蒿广泛工业应用电磁波致夕e 效应尚不明确 。 喜羹籍食品电阻凳蓑篓某詈嘉州隰致小范围t 业应用 产热杀菌 死效果不明确 “”。 1 4 圆竺兰苎烹篓苎超液尊絮攀注 热致死实验研究 高温杀菌u h t入高温蒸汽 一 t 5 詈釜萎蓦嚣超蓑萎蒸豢刮 热致死 一 高温杀菌u h t板式换热器加热 “”一 实验研究，酸性颗 粒食品的工业应 用 2 第一章绪论 由表1 1 可以看出，杀菌技术可归纳为热杀菌和冷杀菌两大类。与热杀菌法相比，冷 杀菌技术在微生物方面保证食品安全的同时，又较好地保持食品固有的营养成分、质构、 色泽和新鲜度，此技术虽然起步较晚，但能满足消费者对食品营养、原汁原味的要求， 在加工热敏性物料时有巨大的优越性，因此日益受到重视并且发展很快，成为近来国内 外食品科学与工程领域研究的热点，如高压杀菌、脉冲强光、冲击波杀菌、生物杀菌、 膜分离杀菌等。上表的这些技术大多更适用于液体食品，或者只能适用于液体食品，而 不具备处理长架寿主食固体食品的能力。应该指出的是，在各种先进杀菌技术中，普遍 将颗粒食品悬浮在液体食品中，从而扩展技术应用范围，但是固体食品的尺寸大小、比 重( 实际上是与液体的比重差) 、固液比受到限制，同时只能获得液体固体混合物。 随着我国经济的发展，大幅度提高我国农副产品加工率，同常菜肴工业化加工，以 及传统食品工业化都非常重要，而这些食品大多数都属于固体食品。上世纪八九十年代 主要针对颗粒食品无菌处理的“连续式液体一颗粒无菌工艺”被广泛研究，但由于缺乏可 靠的验证方法( 如运动颗粒中心温度、表面换热系数都无法精确计算) ，致使该项技术 长时期处于试验阶段，没有获得进一步发展【5 1 ，所以，固体食品杀菌技术的发展成为制 约这些产业发展的关键。 1 2 流态化超高温杀菌技术( f u h t s ) 及食品模拟系统简介 1 2 1流态化超高温杀菌技术( f u f i t s ) 简介 流态化固体食品超高温杀菌技术是新近出现的一种新型食品杀菌技术【6 j ，它主要解 决固体颗粒食品的杀菌问题。其方法结合了流态化加热与真空闪急蒸发冷却工艺，是固 体食品杀菌研究的一大创新。 流态化加热的实质是高温的热媒流体与食品颗粒相对运动，产生很高的换热系数， 同时固体食品以颗粒形式存在，比表面积很高，热穿透深度较小，形成总体高效换热， 同时流体温度容易控制，采用减压冷却时，可以瞬时降温，食品的热破坏较小，有利于 提高产品品质。目前成功研究制造了首个固体食品流态化超高温杀菌原理验证设备，通 过v i s u a lb a s i c 6 0 编程实现核心杀菌操作的自动控制及压力温度f 值c 值的采集计算 3 江南人学硕f 二学位论文 和实时显示。同时并已经通过流体力学、传热学、杀菌学、传质学的理论及数值分析、 计算和优化，以及对核心理论参数进行试验验证，并与现有杀菌技术进行比较，初步确 定固体食品流态化超高温杀菌技术理论基础和关键研究方法，掌握核心技术特征，较全 面的研究了技术可行性。 f u h t s 的工艺中，为了客观评价杀菌的效果及f u h t s 的安全性，我们引入了食品 模拟系统。 1 2 2 食品模拟系统的研究 随着现代食品杀菌技术的飞速发展以及人们对食品安全的日益重视，杀菌过程不明 确、杀菌效果不能准确验证的杀菌技术不能应用到生产中去【7 】，对每一种杀菌工艺建立 数学模拟是必不可少的，校验数学模拟系统，就要使用食品模拟系统。食品热杀菌研究 中，所使用的食品模拟系统由食品模拟物与时间温度积分器( t t i s ) 组成【8 】。自从1 9 8 9 年食品模拟系统成功地应用于颗粒低酸性食品的致死率的研究中，并得到了f d a 的认可 后，该方法逐渐成为热杀菌处理研究的常规处理手段【9 】。n o b o r us a k a i 等人设计不同盐 浓度的琼脂凝胶组成的食品模拟系统，研究不同食品的介电常数、空间位置对微波加热 效果的影响【1 1 1 ；f i l i zl c i e r 等人设计出由甲基纤维素溶液与牛肉颗粒组成的食品模拟系 统【12 1 。 食品模拟物是在实验室制作的一类用于研究食品杀菌处理的试验模型，使用它代替 真实的食品材料，可以消除真实食品的复杂多样的外形、结构与组成对实验结果带来的 影响，并能真实准确地反映杀菌处理的效果【1 0 1 。国外研究中固体食品模拟物主要包括三 类：金属制作的胶囊，其特点是形状稳定、可重复使用；但由于金属本身与真实食品 相差太远，这种方法已经很少使用7 1 。真实食品，在杀菌研究的早期大量使用【8 1 ，但 由于食品本身的一些缺陷如结构不均匀、组织强度小、本身热稳定不好等缘故，现在也 较少使用。以海藻胶颗粒技术为代表的凝胶颗粒食品模拟系统【9 】。这种食品模拟物的 优点是结构均匀、组织强度大，并且可以模拟真实产品的真实环境，查1 p h 、a w 以及食 品成分如蛋白质、脂肪等对微生物的保护作用。该技术在液体颗粒食品无菌工艺中大 量使用，但用于f u h t s 时，其质构型和持水性都不能满足研究的要求， 1 2 3f u h t s 中食品模拟物的性质要求 在对f u h t s 杀菌效果的进行验证时，食品模拟系统是必不可少的，经过对颗粒内部 的热传导分析( 以圆柱体为例) ，模拟物的热传导解析公式为： = 2 喜旁唧( - 鬈r 磊) ( ，圳 式中：q 一过余温度。9 = 。无因次；九n 一不稳定传热解析计算特征值；l 一 一0 计算尺寸( m ) b i - - 比奥数。b i ：坠兰：h h 一流体( 颗粒) 对流传热系数( w m ：) ： c 一导热系数( w m o c ) ；j o 为。阶第一类贝塞尔( b e s s e l ) 函数o 4 第一章绪论 从公式中可以看出三一计算尺寸( m ) 、h 南一流体( 颗粒) 对流传热系数( w m 2 ) 、 r 导热系数( w m o c ) 是决定传热的重要参数，在f u h t s 中，我们以l 、h 南、茁作 为判断新型食品模拟物的标准，所以我们构建新型的食品模拟物必须具有以下特点： 造价低廉，结构均匀，可以加工成适宜的大小，形状。本身性质稳定，能与t t i s 结合 使用。在热物理性质、对流传热系数等方面与真实食物相近。易保存，可以随时使 用。 1 2 4f u h t s 中食品模拟物研究现状 江南大学高毅利用魔芋葡甘聚糖( k o n j a cg l u e o m a n n a n ，k g m ) 构建了一种新型的 用于f u h t s 中的食品模拟物【1 3 】。魔芋凝胶具有特定的螺旋结构，但加入一定浓度的碱液 后，凝胶发生脱乙酰基反应，螺旋结构被破坏，螺条相互交织成网状结构生成热可逆的 魔芋凝胶( “g m ) 。当脱乙酰基化到一定程度后，就会形成不可逆的高强度但可以 拉伸的热不可逆的g m 1 4 o 高毅优化t作“g m 的条件，并利用d s c 对g - k g m 的热物理性质进行了测量，g _ 冰g m 显示较高的热稳定性，并在持水性和质构性两方面 都显示了优于海藻胶颗粒的特性。但对于其导热系数和对流换热系数没有进行准确的测 定【1 5 】，所以g _ k g m 作为f u h t s 中食品模拟物还需要进一步的研究。 1 2 5 时间温度积分器( t i m e - - - t e m p e r a t u r ei n t e g r a t o r st t i s ) 简介 对于食品热处理效果评价的方法包括f l6 】：定位法、物理一数学方法和时间温度积分- 器法。食品热处理效果评价可能是食品科学中研究最多和最深入的领域之一。 ( 1 ) 定位法【1 7 】是通过测定加热前后的质量因子来了解过程变化，这一技术广泛应 用于热处理中的营养、感官、组织和微生物安全的质量评价。这一技术优点是能准确直 接的了解热处理对食品本身的影响。缺点是：a ：质量因子如微生物数量、维生素含量 等受热后可能减少到低于检出限，导致难以或无法分析评估。b ：该方法成本高、人力 和时间消耗大，使其应用受到限制。 ( 2 ) 物理数学方法的基本原理是通过结合品质动力学参数和食品的温度时间历史 联合计算出热处理的影响结果。在一些热处理过程，如旋转式杀菌釜、固液混合杀菌中 的颗粒及流态化固体食品超高温杀菌中，由于介质与温度传感器相连，限制了介质的自 由运动，得到的时间温度曲线也必然与实际曲线有误差。 ( 3 ) t t i s 定义为用于模拟目标质量参数时间温度总体变化效果，可以方便准确测 量的小型装置【1 8 】。在实际应用中，将t t i s 置于对象食品中，通过分析热处理前后的t t i s 指示剂的变化情况，并按照动力学原理进一步将其转化为被测模拟量的变化，从而间接 评价热处理效果。 根据t t i s 的定义，t t i s 需满足以下条件： ( 1 ) 造价低，制备方便，易于测量； ( 2 ) t t i s 装置需具备与食品体系融为一体的能力，以防改变食品的时间温度曲线； ( 3 ) t t i s 指示剂的动力学参数和目标参数相同。 按照指示剂的不同将t t i s 分为三类 5 江南人学硕士学位论文 ( 1 ) 化学t t i s ，其指示剂是一类会随温度变化而发生特征性化学反应的化合物，这 是应用最早的t t i s ，有4 0 余年的成功运用经验，这种方法操作灵活，检测精度高；缺 点是可供选择的指示剂很少，如硫胺素、双糖水解【19 1 。 ( 2 ) 物理们s ，其指示剂具有能随温度变化发生相应物理变化的性质，w i t o n s k y l 2 0 】 最早利用一种渗透性能随温度的变化而变化的指示剂构建物理t t i s ，后来又出现电子热 分析单元( t h e r m a lm e m o r yc e l l ) t 2 1 1 ，物理t t i s 制作容易，使用方便，读数快而准确。 ( 3 ) 生物t t i s ，其指示剂主要是一些热稳定性很强的生物试剂。 l 、微生物t t i s ，其指示剂主要有嗜热芽孢杆菌( b a c i l l u ss t e a r o t h e r m o p h i l u s ) 、球 形芽孢杆菌( b a c i l l u se o a g u l a n s ) 、枯草芽孢杆菌( b a c i l l u ss u b t i l i s ) 等，微生物t t i s 通过检测热处理过程前后的指示剂的减少量或残余量柬反映相应的温度，它的优点是微 生物对温度的敏感性好，不足是一些微生物培育和检测周期长，并且有污染食品的危险。 2 、酶制剂t t i ，以酶为指示剂的t r l s 越来越受到重视，相对于微生物t r l s ，易于 操作和检测，常用的指示剂有a 淀粉酶，辣根过氧化物酶等。 1 3 食品导热系数的测定方法 由公式( 1 1 ) 可知，“g m 能否作为食品模拟物取决于其热物理性质和对流换 热系数，因此热物理性质和对流换热系数的测定是必须要解决的问题，尤其是导热系数 等热物理性质参数。有许多因素影响着食品的导热系数，如食品组成、密度、结构等， 目前已有多种方法应用于食品导热系数的测定，就其温度与时间的变化关系而言，这些 方法可以分为两大类：稳态测量方法和非稳态测量方法。 1 3 1 稳态测量方法 稳态法测量热传导系数时，样品的温度不随时间而变化，该方法简单且适用的温度 范围较宽。但是在高温下热量损失比较大，因而在许多情况下常使用辐射屏蔽或真空， 以减少能量的损失。另外，一些系统原因，例如热接触不良、温度的漂移、热接触电阻 等造成大的测量误差。稳态法的另一缺点是从加热初到获得稳定温度梯度必须经过较长 的时间，而较长的测量时间往往会引起样品本身性质的变化，例如测量含有一定水分的 物质热传导系数，样品中的水分含量会发生变化，从而出现很大的误差。稳态测量方法 主要有以下两种： ( 1 ) 平板法 这一方法【2 2 】如图1 1 所示。由安装在试样一端并对其一侧进行绝热保护的平板电加 热器对试样进行加热。加热热流速率可以由该平板加热器的电功率来确定，试样的温度 由热电偶进行检测，测量时把测温结点及电偶丝沿等温线放置。为了尽可能保证测量精 度，仅取大试样中心的相当小的一部分面积作为测试面积。 6 第一章绪论 广_ x _ 1 缀 a t t i t t t t l 图1 1 平板法示意图 f i g 1 1s c h e m a t i cd i a g r a m so fp l a t em e t h o d 该法一般用于不易破碎、低水分固态食品的导热系数测定。其原理与热流计法相似， 但其在测量物体中心温度时使用的是热电偶，测量精度大大提高，该法可视为对热流计 法的一种改进。 ( 2 ) 同心圆球法【2 2 】 该法的原理是在两个同心的圆球壳之间充满被测物料，由内球面向其加热，外球面 向空间散热，当这一过程达到平衡时，通过测量两球壁之间的温差、加热速率和球壳的 几何参数来确定导热系数。这一测量方法的优点是，由于是内球面加热，其加热损失为 零，可以保证精确地控制加热功率。但两个球壳的同心度和充填物料的均匀度对测量的 准确度影响不能忽视。这种方法适用于低含水量易碎的食品测量。， 1 3 2 非稳态测量方法 非稳态测量法是近几十年内开发出的导热系数测量方法，多用于研究高导热系数材 料，或在高温条件下对导热系数进行测量。非稳态法具有耗时短、精确性高、对环境要 求低等特点，但受测量方法的限制，多用于比热基本趋于常数的中、高温区导热系数的 测量。与稳态法相比，该法的主要优点在于其大大缩短了测量时间，并且能减少热量损 失以及防止样品的化学性质和结构发生变化。非稳态测量方法包括以下几种： ( 1 ) 热探针法 热探针法【2 3 堋测量导热系数，测量过程中试样在探针表面处只有几摄氏度的温升， 其余部分的温升更小，试样的物性变化极小，测试结果能准确地反映试样的真实状态。 因此，探针法特别适合于高水份含量食品的导热系数测量。 7 南人学i 。学位论i 国1 2 热探针法示意图 f i g 1 2s c h e m a t i cd i a g r a m so f l i n eh e a ts o u s e p r o b e m e t h o d 2 )热敏电阻法 由于微珠状热敏电阻的尺度很小，且在较大的温度范围内稳定，所以可以将其作 为球形内热源插入待测物质中，兼起加热和测温元件的双重功能，其示意图如图】3 周1 j 热戢电阻法示需图 f i g 】3s c h e m a t i cd i a g r a m se f t h e r m i s t o rb a s e d m e t h o d 在该方法口“中，热敏电阻兼作加热和测温元件，能够减少误差，并且由于热敏电阻 由半导体材料、陶瓷和金属等组分组成的混合物，在一定的温度范围内，其体积膨胀系 数极小，导热变化系数也很小。所以在定的温度范围内，热敏电阻探头的结构口和枷 可以用常温下的标定值，随着温度的升高，这种方法的精确度也在下降。 ( 4 ) 热线改进法 该方法口”是把一条细导线放在两块矩形样品问，通以恒电流，其中一块样品是已 知热学性质的绝热保温材料利用热电偶来测量两块样品中心的温度变化，通过温度的 变化来推算导热系数。其示意图如图14 c 一 面撇 第一章绪论 图1 4 热线改进法示意图 f i g 1 4s c h e m a t i cd i a g r a m so fm o d i f i e dh e a tf i n em e t h o d 1 4 对流换热系数办彦的测量与计算方法 与比热和导热系数不同， 囱是关于颗粒浓度、颗粒表面性质和形状以及流体的流体 力学特性的复杂函数。对流换热系数受以下几个因素的影响：( 1 ) 颗粒的大小和形状； ( 2 ) 颗粒和流体的热物理性质；( 3 ) 颗粒位置；( 4 ) 流体颗粒相对速度；( 5 ) 颗粒 与管道直径之比：( 6 ) 流体粘度和温度。 在传统的食品加热杀菌工艺中，固体食品的冷点温度是容易测量和记录的。而在液 体颗粒的无菌工艺中，食品颗粒悬浮在连续运动的流体中，目前尚没有适合这一条件的 可靠准确的测温技术。在不能取得准确数据的情况下，为确保微生物安全，必须对传热 做出保守估计，同时又不会因估值过高而导致产品的总体过热。 如一般是在精确设定的初始和边界条件下对温度历程进行物理测量后，再通过计算 获取。目前已发展出多种有关液体颗粒混合物的办加测量方法，包括直接和间接温度测量 法、微生物法、移动热电偶法、液体温度量热计法、发射法、静态颗粒法等。尽管 的测定方法很多，但测定结果的准确度、可靠性都不高，并不能够成为标准测定方法。 1 、 静态颗粒法( s t a t i o n a r yp a r t i c l em e t h o d ) 静态颗粒法也称静态热电偶法，该法颗粒在流动的载流中保持静止状态，可同时测 定颗粒和载流的温度。取得的温度时间数据后，可由瞬时传热方程式求得j l 加。由于颗粒 的移动和转动受到限制，静态颗粒法不可能反映出真实的条件，导致实验结果的偏离【27 1 。 而对于非牛顿流体，由于流体颗粒相对速度较低，通常出于层流状态，这时静态颗粒法 可以用于对作出保守计算。一些研究者【2 8 】使用这一方法在低温和高温条件下研究了各 种工艺参数对厅咖的影响。 2 、移动热电偶法( m o v i n gt h e r m o c o u p l em e t h o d ) 为了分析颗粒移动对的影响，s a s t r y 等【2 9 】发展了移动热电偶法。该方法通过电机 使固定在食品中的钩状热电偶以设定的速度移动，以此法获得移动状态下颗粒的时间温 度数据，并以此来计算五份。这个方法的优势在于：( 1 ) 可准确测定了移动颗粒的温度； ( 2 ) 可使用不透明载流，但是颗粒的运动仍然受到某种限制，并对载流产生一定的干 扰。s a s t r y 等【3 0 】的实验表明，运动可以明显提高传热效率，s a s t r y 指出移动热电偶法的 预测数据是一个保守值。该法试验重复性差，因为在无菌系统内无法将颗粒的运动限制 9 江雨大学硕士学位论文 一个固定的轨迹，而颗粒的径向位置对h 盎是有影响的。由于设备设计难度大，该方法 难以应用于高温高压条件。受操纵的颗粒运动还可能限制流体的运动。 3 、熔点法( m e l t i n gp o i n tm e t h o d ) 熔点法利用聚合物在一定温度下变色的特性，通过色泽解析计算出锄。m w a n g i 3 h 等放置一个温度指示范围为5 1 8 0 熔点指示器于一个直径8 1 2 7 m m 聚甲基丙烯酸 酯球中，通过一个文丘里管将颗粒引入一个模拟无菌工艺保温管中，载流为甘油水混 合物。温度上升后，指示剂达到熔点后变色，纪录颜色变化时间的关系以及载流的温度 时间关系。同时与通过瞬时传热方程的有限差分算法预测的磊勿值，预测指标物的表面温 度。预测温度与观测温度之差最小的矗加值为目标值。因为变色不可逆的，因此颗粒不能 重复使用，这一方法是非破坏性的，但是要求保温管必须透明。 4 、微生物法 ( m i c r o b i o l o g i c a li n d i c a t o rm e t h o d ) 微生物法实质上是一种t t i s 技术。h u n t e r 2 4 】首次通过加热置入芽胞的海藻胶小球通 过数学模型推算 加。w e n g 等【3 2 】采用固定过氧化物酶代替微生物在巴氏杀菌条件下测定 加，他将热电偶插入载有该指示物的聚缩醛小球，置入罐头的几何中心，记录加热和冷 却曲线，综合计算致死率。热处理后，指示物回收，其酶活测定用于估算实际的累积致 死率。江南大学邓力【6 】发展了一种称为最小绝对致死率差方法( l a l d ，t h el e a s ta b s o l u t e l e t h a l i t yd i f f e r e n c e ) ，通过数学模型计算的致死率与实验数据获得的致死率的差值来计算 。推算的办咖值与已知热物理性质被带入显式有限差分方程，以预测颗粒中心的时间温 度关系及相关的总体致死率。通过调整办彦，使预测和实际致死率小于允许范围。邓力比 较了其结果与l e n z 和l u n d ”】的最小温度目标总体平方差法( l s t d ，t h el e a s ts u mo f s q u a r e dt e m p e r a t u r ed i f f e r e n c e sa p p r o a c h ) 的不同，认为前者更为准确。l s t d 法是选用 的预测值与实际值具有最小的总体平方差。两种方法的差别是由于两种方法采用的温 度时间曲线的性质不同造成的。l s t d 法中，温度高于致死温度后影响比较低的温度更 为显著，而在前一种方法中，每一记录的温度按照使实验和预测温度差值最小来考虑。 合理的方案是两种方法在计算如时相互补充。 5 、液晶法( l i q u i dc r y s t a lm e t h o d ) s t o f o r o s 等【3 4 】首次使用液晶法测定连续系统中的 励。m o f f a t t 3 5 】提出了使用液晶法测 算 加的详细方法。该法在颗粒表面覆盖一层热敏性变色液晶以录像记录起变化。通过与 校验后的标准色比较确定表面温度。该法是非破坏性的，并且快速，提供了与j j l 彦相关的 表面温度测定方法。而该法的温度测量准确性受下列条件限制：( 1 ) 颜色变化对应的 温度变化范围；( 2 ) 录像的解析度；( 3 ) 颗粒表面色泽可见。因而该法不适于在高温 高压系统及不透明液体条件下使用。 6 、流体温度量热法l i q u i d t e m p e r a t u r ec a l o d m e t r ym e t h o d 该法【3 6 】通过添加低温颗粒进入热流体中，记录流体温度变化来测手b 。已知颗粒和 流体的热物理性质，这样就可以通过能量平衡测算j l 彦。该法可以测算颗粒总体j l i 咖，并可 以用于不透明载流。但是却无法判明单个颗粒的 向变化。同时，在高温高压下，使用该 法比较困难。这一方法虽然原理简明，但却不适用于单独颗粒的五加测算。 1 0 第一章绪论 1 5 本论文的主要工作 1 、在热敏电阻作为稳态传热模型基础上，分析研究测量介质大小和加热功率对热 敏电阻法测量导热系数的影响，并分别以甘油、水和甲苯为标定物，通过对标准样品的 测量，得出热敏电阻法适用于食品介质导热系数测量的基本条件，并进一步研究讨论食 品导热系数和温度( 3 0 1 0 0 ) 之间的关系。 2 、以耐高温a 一淀粉酶为指示剂制作了应用到流态化固体超高温杀菌工艺中的 t t i s ，并对该t i i s 进行了热失活动力学研究和使用验证。 3 、分析颗粒食品在湍流热水中的加热的杀菌过程，建立了数学模型。将数学模型 计算的结果与利用食品模拟系统测量的实验结果进行了比较，证明这种食品模拟系统可 以真实的模拟数学模型的结果。分析流态化固体超高温杀菌技术的关键参数对流换热系 数的理论和试验计算方法，验证流态化超高温杀菌传热对流换热系数的计算公式。 江南人学硕士学位论文 第二章热敏电阻法测量食品热物理性质的研究 2 1 引言 在食品原料的干燥、冷冻、脱水、以及烘烤、蒸煮等加工过程中，均伴随着热量的 交换和传递。为了准确分析传热速率和总传热量，优化加工工艺及其设备，需要了解原 料的热物理性质参数，因此热物理性质参数的测量是食品工程研究的重要内容。导热系 数和热扩散系数是食品物料的重要热物理性质参数，食品的导热系数会随种类、组分、 温度及种植环境的不同而变化，实验条件的差异，给食品导热系数测量及食品加工过程 中的精确计算带来困难。有学者【3 7 4 0 】用热探针法、热线改进法等方法对食品的导热系 数进行了研究。目前这方面的数据极为缺乏，大多是上世纪七八十年代发表的，且数据 离散度很大，难以有效地应用并指导生产实际。食品热扩散系数的测定方法目前报道很 少，一般按照热扩散系数的定义来计算。因此，对食品热物理性质的深入研究无疑具有 重要的现实意义。 食品的导热系数和多种因素有关，如组成成分、原料的生长环境、温度等，现在文 献上多是对于液态物质的导热系数，食品方面尤其是固态食品的导热系数数据缺乏，测 量不同品种、不同种类、不同温度下的食品的导热系数是一个艰巨繁琐的任务，对于固 体材料，当结构和组成一定时，导热系数主要受温度的影响( 对金属来说还与纯度有关) 。 导热系数与温度近似成直线关系，因此我们有必要深入研究食品导热系数和温度之间的 关系，建立它们之间的模型，从而得到不同温度下的导热系数。 已有专家研究导热系数与食品组成成分和温度之间的关系。i h t a v m a n 和s t a v m a n 运用热线改进法测量1 5 种奶酪的导热系数，推算出奶酪中导热系数和奶酪组成成分在 1 5 c 和3 0 c 下的关系f 4 l 】；j a m e sk c a r s o n 总结了不同状态下的食品导热系数模型【4 2 】；张 敏和赵惠忠等运用热探针法测量苹果汁导热系数与浓度和温度之间的关系【3 8 1 。 本试验采用在不同温度下对热敏电阻进行标定，进而测定不同温度下食品及食品模 拟物的导热系数，从而建立导热系数和温度之间的关系式。 2 2 材料、试剂与设备 2 2 1 材料 胡萝b 、马铃薯：市售； 2 2 2 试剂 甘油、乙二醇、氯化钙：中国医药( 集团) 上海化学试剂公司； 1 2 第二章热敏电阻法测量食品热物理性质的研究 2 2 3 仪器与设备 p y r i s1 型差示扫描量热仪( d s c ) c f 一1o o 型电阻( 2 5 k - q ) s 一5 0 2 4 型电源 f 17 5 型万能表 m j b 1 0 3 3 3 8 0 型热敏电阻 z x 2 1 电阻箱 p e 公司 深圳市咸阳华星机电有限公司 台湾明纬有限公司 美国福禄克有限公司 济南敏杰电子有限责任公司 上海精密仪器有限公司 2 3 食品热物理性质的测量方法 2 3 1 测量原理 根据微珠状热敏电阻的尺度很小，可兼作加热和测温元件，在较大的温度范围内 状态稳定。文中将其作为球形内热源插入待测介质中，用热敏电阻法测量食品的导热系 数，热敏电阻作为球形内热源插入无穷大匀质待测介质中，假设：测试前，热敏电阻与 被测介质处于热平衡状态，二者之间没有接触热阻；在测试过程中热敏电阻的半径和导 热系数保持不变，热敏电阻的内热源均匀分布。b a l a s u b r a m a n i a n 等【4 3 1 研究表明将热敏电 阻作为匀质球形热源处理，热敏电阻温度可以取其体积平均温度，结果与实际情况相符 合。由热敏电阻阻值r t 与温度t 的关系为【删： l nr 扩l n r ，：f 軎一引 ( 2 1 ) 可得热敏电阻的温升r 为： r ：里l n 鱼 8r t 式中t 栅旷一热敏电阻值r t 及r t o 对应的温度值； 卜热敏电阻的阻温系数 导热系数的测量公式【4 5 】： 1 h 2 1 汗丁 4 a t - - - - - - - - - - - - - p 5 x t 热