CN115644243A - 一种基于低温等离子体技术的粉状食物杀菌装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于低温等离子体技术的粉状食物杀菌装置及方法，该装置包括粉状食物进料装置，预热装置，等离子体发生装置，物料振动输送装置，气氛加热装置和湿度调节装置。通过红外线加热装置将进料口处的粉状食物预先进行加热，随后粉末颗粒在电磁振动给料机的作用下充分翻滚并连续通过等离子体处理区域中。在等离子体发生装置中产生大量高能电子、活性基团等成分对粉状食物颗粒进行高效杀菌，同时气氛加热装置和湿度调节装置将处理区域的气氛维持在合适的温度和湿度范围之内，能提高等离子体杀菌效果，并避免粉状食物处理后品质降低。
Description
技术领域
本发明属于食品杀菌工艺设备技术领域，具体涉及一种基于低温等离子体技术的粉状食物杀菌装置及方法。
背景技术
奶粉中的致病菌对消费者和乳制品行业都构成了严重威胁。例如偶见于奶粉中的阪崎克罗诺肠杆菌是一种机会致病菌，常与新生儿和婴儿的脑膜炎等食源性疾病有关。虽然疾病发生频率很低，但由于( 20 ~ 50 %)的高致死率受到高度关注。虽然坂崎克罗诺肠杆菌不能在巴氏杀菌中存活，但在干燥和包装等巴氏杀菌后工序易受细菌污染。因此，需要一个处理步骤来灭活成品奶粉中的病原体。
由绝缘介质置于放电空间所产生的非平衡态低温等离子体包含电子、离子、原子、原子团、自由基和紫外线光子等具有灭活微生物能力的物质。在气体整体温度处于较低温度的平衡状体下，等离子体内部有大量高温电子，这些高温电子会在细胞膜表面聚集，当其静电张力大于细胞膜表面张力时，会将细胞膜撕裂，这是等离子体杀菌的重要机理。此外，紫外线主要作用于微生物的DNA，可以破坏细胞中DNA的结构，使之失去繁殖和自我复制的功能，从而达到杀菌消毒的目的。基于以上原理，低温等离子可以在几乎不改变奶粉理化性质的情况下，使得奶粉中的细菌大大减少，最终生产出符合产品标准的奶粉成品。
等离子技术在农业和食品领域已有研究及应用先例，包括对水果、蔬菜、肉制品及海鲜的杀菌处理。例如，Matan等利用低温等离子体技术对新鲜火龙果进行杀菌处理，表明表面微生物抑制效果增加，延长保鲜期。Ziuzina等利用低温等离子体技术对新鲜菠菜杀菌处理，减少了李斯特菌和大肠杆菌的数量。Choi等利用该技术对生鲜猪肉，在减少病菌的同时生鲜猪肉颜色、风味、营养等品质指标并没有发生显著变化。
利用低温等离子体对奶粉之类的粉状食物进行杀菌处理的案例并不多见，为数不多的研究报道中涉及到的批次运行的实验装置无法规模化运用，主要原因在于粉状食物的一些特性对等离子体杀菌造成了以下技术挑战：1) 粉末颗粒尺寸小，其表面难以均匀地接受到低温等离子体的处理，尤其是在工业规模连续生产的情况下难以实现；2）粉末质量轻，容易受到高压电场影响产生静电而粘附结块，对粉末均匀连续处理造成进一步困难；3）对奶粉之类易氧化的粉末食物，低温等离子体容易在杀菌的同时对食品品质产生负面影响。因此，本发明开发一种利用低温等离子体连续且均匀处理粉末食物，实现高效杀菌而不降低食物品质的方法和装置。
发明内容
针对上述问题情况，本发明提供一种基于低温等离子体技术的粉状食物杀菌装置及方法，解决现有技术中对粉状食物杀菌难的技术问题。
为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种基于低温等离子体技术的粉状食物杀菌装置，包括进料装置，进料预热装置，等离子体发生装置，物料振动输送装置，气氛供给装置、气氛加热装置以及湿度调节装置，粉状食物经过预热进料后，进入物料振动输送装置，在等离子体发生装置产生的等离子体作用下实现杀菌，所述气氛供给装置为杀菌工艺提供反应气氛，并有气氛加热装置控制温度，所述湿度调节装置用于调节杀菌过程反应腔内的相对湿度。
进一步的，进料装置包括料斗及螺杆进料器，进料预热装置为红外线加热装置，下方与螺杆进料器相连，所述红外线加热装置设置在料斗内，对粉状物料进行预热后进料。
进一步的，所述物料振动输送装置为电磁振动给料机，电磁振动给料机设置在处理腔金属壳内，所述螺杆进料器的进料通道穿过处理腔金属壳后，对准电磁振动给料机的共振平台。
进一步的，所述等离子体发生装置采用介电阻挡放电原理，包括高压电极、绝缘介质管、金属孔筛板地极以及高压电源，高压电极置于绝缘介质管内部，高压电极与下方金属孔筛板地极构成介电阻挡放电结构，高压电极和金属孔筛板地极分别与高压电源的高压极和地极相连接，绝缘介质管上端外接风冷系统。
进一步的，所述处理腔金属壳将电磁振动给料机以及金属孔筛板地极和绝缘介质管等包围在内，形成气氛独立可控的反应腔，所述金属孔筛板地极与电磁振动给料机的振动板之间距离为1-3mm。
进一步的，所述金属孔筛板地极材料为金属网、或冲孔网板，含规则排列的小孔或网格构成，孔或网格的等效直径为0.3-0.5cm。
进一步的，所述气氛供给装置包括反应气气瓶、气体流量计以及流风机，气氛加热装置为恒温水浴加热装置，所述反应气气瓶依次与气体流量计和流风机通过管路连通后与恒温水浴加热装置连通，恒温水浴加热装置与处理腔金属壳连接，为反应腔内提供加热反应气氛，反应气气瓶提供的反应气氛为N2、CO2或空气。
进一步的，所述湿度调节装置包括电性连接的湿度监控器和湿度调节器，所述湿度监控器的探头设置在处理腔金属壳内部，湿度调节器与气氛供给装置的进气管路相连通。
本发明还提出了如上所述的基于低温等离子体技术的粉状食物杀菌装置的工艺方法，包括如下工艺：
通过红外线加热装置将粉状食物温度提升至适宜区间，经过螺杆进料器以设定进料速度落入电磁振动给料机的共振平面上，在激振器产生的高频微幅振动作用下，粉末食物被连续抛掷从而在平面上均匀铺开且翻滚，连续通过金属孔筛板地极下端的处理区域，在等离子体产生的活性物质作用下进行杀菌处理；高压电极置于绝缘介质管内，起到安全保护的作用，上端风冷系统对高压电极进行散热；反应气氛由反应气气瓶经过气体流量计和流风机后进入恒温水浴加热装置提高温度，然后进入到反应腔内；湿度监控器根据反应腔内的相对湿度反馈对湿度调节器进行控制，使反应腔内相对湿度维持在合适范围。
进一步的，所述螺杆进料器控制粉状食物进料速度控制在0.3-3g/s；所述处理气氛温度保持在45-55℃，相对湿度保持在20-30%之间；所述电磁振动给料机振动频率3000次/min，振幅1-1.5mm；高压电极与金属孔筛板地极之间的平均电场强度为10-40 kV/cm。
通过本发明技术方案，具有如下有益效果：
1、粉状食物经过进料预热装置预热后，大大减少了后续在等离子体处理阶段的时间，同时加热过后的粉状食物质地较为干燥，方便在电磁振动给料机传送时均匀分布；
2、电磁振动给料机可以使粉末充分翻滚并连续通过等离子体处理区域，并且可以有效避免粉末因静电作用而吸附结块；
3、反应气氛调节至适宜温度和湿度，可以活化处于休眠状态的细菌，改变等离子体组成，最终提高杀菌效果；
4、非直接式等离子体处理粉状食物，可以在不削弱杀菌消毒作用的前提下防止因高温而导致食物活性、颜色等理化性质的改变。
附图说明
图1为本发明的基于低温等离子体技术的粉状食物杀菌装置结构示意图；
图2为本发明装置的工艺流程图；
图3为本发明实施例中奶粉不同等离子体处理时间与获得的对数减少示意图；
图中：1、料斗；2、红外线加热装置；3、螺杆进料器；4、处理腔金属壳；5、反应气气瓶；6、气体流量计；7、流风机；8、湿度监控器； 9、湿度调节器；10、恒温水浴加热装置；11、成品收集罐；12、电磁振动给料机；13、金属孔筛板地极；14、高压电极；15、绝缘介质管；16、风冷系统；17、高压电源。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
选取奶粉为处理对象进行实验，奶粉样品预先接种阪崎克罗诺肠杆菌（Cronobacter sakazakii），接种浓度为107 CFU/g奶粉。
如图1所示，一种基于低温等离子体技术的粉状食物杀菌装置，包括进料装置，进料预热装置，等离子体发生装置，物料振动输送装置，气氛供给装置、气氛加热装置以及湿度调节装置，粉状食物经过预热进料后，进入物料振动输送装置，在等离子体发生装置产生的等离子体作用下实现杀菌，所述气氛供给装置为杀菌工艺提供反应气氛，并有气氛加热装置控制温度，所述湿度调节装置用于调节杀菌过程反应腔内的相对湿度。
进料装置包括料斗1及螺杆进料器3，进料预热装置为红外线加热装置2，物料振动输送装置为电磁振动给料机12，所述等离子体发生装置采用介电阻挡放电原理，包括高压电极14、绝缘介质管15、金属孔筛板地极13以及高压电源17，所述气氛供给装置包括反应气气瓶5、气体流量计6以及流风机7，气氛加热装置为恒温水浴加热装置10，所述湿度调节装置包括电性连接的湿度监控器8和湿度调节器9。
具体为：料斗1壁面安装有红外线加热装置2，下方与螺杆进料器3相连。反应气气瓶5与气体流量计6和流风机7依次相通后连接恒温水浴加热装置10， 湿度监控器8和湿度调节器9电性连接，恒温水浴加热装置10连接处理腔金属壳4，后者将电磁振动给料机12以及金属孔筛板地极13和绝缘介质管15包围在内，形成气氛独立可控的处理腔。高压电极14置于绝缘介质管15内部下壁，与下方金属孔筛板地极13构成介电阻挡放电结构。高压电极14和金属孔筛板地极13分别与高压电源17的高压极和地极相连接。绝缘介质管15上端外接风冷系统16。
所述金属孔筛板地极13材料可为金属网、冲孔网板等，孔或网格的等效直径在0.3-0.5cm范围内。本发明中采用一种含规则排列的小孔或网格构成的地极结构，使部分等离子体物质透过该地极，作用于处于下部的粉状食物，该设计避免了粉状食物直接暴露在电场中而焦化或产生静电吸附。
所述螺杆进料器3控制粉状物质进料速度控制在0.3-3g/s。所述处理气氛温度保持在45-55℃，相对湿度保持在20-30%之间。根据食物种类及处理要求，反应气气瓶5所提供的反应气氛可为N2、CO2或空气。
如图2所示，本发明的杀菌装置的工艺方法，包括如下工艺：所述红外线加热装置2由固定在料斗1壁面的五圈环形红外线灯管组成，将物料预热到50℃，奶粉预热后，经过螺杆进料器3以设定的进料速率进入反应腔内的电磁振动给料机12上，电磁振动给料机12振动频率20000 Hz，振幅1.5mm。金属孔筛板地极13与电磁振动给料机12振动板之间距离2mm。等离子体发生装置采用介电阻挡放电原理，由高压电极14、绝缘介质管15、金属孔筛板地极13和高压电源17组成。高压电极14置于绝缘介质管15内，起到安全保护的作用，上端风冷系统16对高压电极14进行散热。高压电极14选用厚度为1mm的平整铜板，绝缘介质管15为壁厚3mm，截面为2cm*25cm长方形的石英管，地极材料选用孔径0.5cm，开孔率47%的304不锈钢金属板。等离子体处理装置使用电压和频率分别为8000V和20000Hz。氮气反应气氛由反应气气瓶5经过气体流量计6和流风机7以2 L/min的流速通过设定值50℃的恒温水浴加热装置10提高温度。湿度监控器8根据反应腔内的相对湿度反馈对湿度调节器9进行控制，使反应腔内相对湿度维持在25%。完成杀菌处理的奶粉最后收集至成品收集罐11中。
等离子体处理时间与获得的对数减少示意图如图3所示，通过改变进料速度及匹配的振动给料速度，可以使奶粉在该装置中获得不同的等离子体处理时间如20 s、30 s、40s和80 s。实验结果表明，不同的处理时间可以分别获得2.4，2.8，3.2，和4.3对数减少。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种基于低温等离子体技术的粉状食物杀菌装置，其特征在于，包括进料装置、进料预热装置、等离子体发生装置、物料振动输送装置、气氛供给装置、气氛加热装置以及湿度调节装置，粉状食物经过预热进料后，进入物料振动输送装置，在等离子体发生装置产生的等离子体作用下实现杀菌，所述气氛供给装置为杀菌工艺提供反应气氛，并有气氛加热装置控制温度，所述湿度调节装置用于调节杀菌过程反应腔内的相对湿度。
2.根据权利要求1所述的一种基于低温等离子体技术的粉状食物杀菌装置，其特征在于，所述进料装置包括料斗（1）及螺杆进料器（3），进料预热装置为红外线加热装置（2），料斗（1）下方与螺杆进料器（3）相连，所述红外线加热装置（2）设置在料斗（1）内，对粉状物料进行预热后进料。
3.根据权利要求2所述的一种基于低温等离子体技术的粉状食物杀菌装置，其特征在于，所述物料振动输送装置为电磁振动给料机（12），电磁振动给料机（12）设置在处理腔金属壳（4）内，所述螺杆进料器（3）的进料通道穿过处理腔金属壳（4）后，对准电磁振动给料机（12）的共振平台。
4.根据权利要求3所述的一种基于低温等离子体技术的粉状食物杀菌装置，其特征在于，所述等离子体发生装置采用介电阻挡放电原理，包括高压电极（14）、绝缘介质管（15）、金属孔筛板地极（13）以及高压电源（17），高压电极（14）置于绝缘介质管（15）内部，高压电极（14）与下方金属孔筛板地极（13）构成介电阻挡放电结构，高压电极（14）和金属孔筛板地极（13）分别与高压电源（17）的高压极和地极相连接，绝缘介质管（15）上端外接风冷系统（16）。
5.根据权利要求4所述的一种基于低温等离子体技术的粉状食物杀菌装置，其特征在于，所述处理腔金属壳（4）将电磁振动给料机（12）以及金属孔筛板地极（13）和绝缘介质管（15）包围在内，形成气氛独立可控的反应腔，所述金属孔筛板地极（13）与电磁振动给料机（12）的振动板之间距离为1-3mm。
6.根据权利要求4所述的一种基于低温等离子体技术的粉状食物杀菌装置，其特征在于，所述金属孔筛板地极（13）材料为金属网、或冲孔网板，含规则排列的小孔或网格构成，孔或网格的等效直径为0.3-0.5cm。
7.根据权利要求4所述的一种基于低温等离子体技术的粉状食物杀菌装置，其特征在于，所述气氛供给装置包括反应气气瓶（5）、气体流量计（6）以及流风机（7），气氛加热装置为恒温水浴加热装置（10），所述反应气气瓶（5）依次与气体流量计（6）和流风机（7）通过管路连通后与恒温水浴加热装置（10）连通，恒温水浴加热装置（10）与处理腔金属壳（4）连接，为反应腔内提供加热反应气氛，反应气气瓶（5）提供的反应气氛为N2、CO2或空气。
8.根据权利要求7所述的一种基于低温等离子体技术的粉状食物杀菌装置，其特征在于，所述湿度调节装置包括电性连接的湿度监控器（8）和湿度调节器（9），所述湿度监控器（8）的探头设置在处理腔金属壳（4）内部，湿度调节器（9）与气氛供给装置的进气管路相连通。
9.一种如权利要求1-8任意一项所述的基于低温等离子体技术的粉状食物杀菌装置的工艺方法，其特征在于，包括如下工艺：
通过红外线加热装置（2）将粉状食物温度提升至适宜区间，经过螺杆进料器（3）以设定进料速度落入电磁振动给料机（12）的共振平面上，在激振器产生的高频微幅振动作用下，粉末食物被连续抛掷从而在平面上均匀铺开且翻滚，连续通过金属孔筛板地极（13）下端的处理区域，在等离子体产生的活性物质作用下进行杀菌处理；高压电极（14）置于绝缘介质管（15）内，起到安全保护的作用，上端风冷系统（16）对高压电极（14）进行散热；反应气氛由反应气气瓶（5）经过气体流量计（6）和流风机（7）后进入恒温水浴加热装置（10）提高温度，然后进入到反应腔内；湿度监控器（8）根据反应腔内的相对湿度反馈对湿度调节器（9）进行控制，使反应腔内相对湿度维持在合适范围。
10.根据权利要求9所述的一种基于低温等离子体技术的粉状食物杀菌装置的工艺方法，其特征在于，所述螺杆进料器（3）控制粉状食物进料速度控制在0.3-3g/s；处理气氛温度保持在45-55℃，相对湿度保持在20-30%之间；所述电磁振动给料机（12）振动频率3000次/min，振幅1-1.5mm；高压电极（14）与金属孔筛板地极（13）之间的平均电场强度为10-40kV/cm。
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