基于温度自适应控制的婴儿配方奶粉射频杀菌方法与品质调控机理研究

This research investigates inactivation of Cronobacter sakazakii (C. sakazakii) and quality regulating of powdered infant milk formula(PIMF) using radio frequency(RF) technology based on material temperature adaptive control in order to solve the problem that combined RF and hot air treatment of industrial sterilization intensity might result in deterioration of product quality. PID control method will be adopted to realize on-off adaptive control of RF system, so as to maintain constant material temperature during RF sterilization process. Comsol Multiphysics simulation and experimental methods will be applied to analyze influences of spatial position, the shape of and the gap between two electrodes, as well as material, shape and size of the package on heating uniformity of PIMF during RF treatment based on material temperature adaptive control, accordingly, methods to improve heating uniformity will be proposed. Relationship between PIMF quality loss kinetics and C. sakazakii inactivation kinetics by RF treatment based on material temperature adaptive control will be analyzed, according to which quality of PIMF will be regulated and the quality regulating mechanism will be further discussed. Influences and the mechanism of RF treatment on protein, fat and lactose will be analyzed. This research can lay a foundation for designing effective RF treatments of powdered infant milk formula based on material temperature adaptive control that provide a good balance between bacteria control and retention of product quality.

针对射频-热风联合杀菌处理无法保障工业应用所需杀菌强度下婴儿配方奶粉品质的问题，本项目拟开展基于温度自适应控制的婴儿配方奶粉射频杀菌方法与品质调控机理研究。采用PID控制方法，实现物料温度的自适应控制，从而确保射频杀菌过程物料温度恒定；采用Comsol Multiphysics有限元仿真模拟与试验研究相结合的方法，研究空间位置、极板间距、极板形状、包装材料和形状、装料厚度对婴儿配方奶粉加热均匀性的影响，探索射频杀菌过程提高加热均匀性的方法；基于物料温度自适应控制的射频杀菌过程中，研究阪崎肠杆菌杀菌动力学与婴儿配方奶粉品质变化动力学的相关关系，基于此，进行婴儿配方奶粉的品质调控，进一步揭示其调控机理；研究射频对婴儿配方奶粉的蛋白质、脂肪、乳糖等成分的影响与作用机理，为开发基于温度自适应控制的奶粉射频杀菌方法、综合改善婴儿配方奶粉的安全性和食用品质提供理论依据。

针对射频-热风联合杀菌处理无法保障工业应用所需杀菌强度下婴儿配方奶粉品质的问题，本项目开展了基于温度自适应控制的婴儿配方奶粉射频杀菌方法与品质调控机理研究。采用PID控制方法，实现了物料温度的自适应控制，从而确保射频杀菌过程物料温度恒定。研究了空间位置和极板间距对婴儿配方奶粉加热均匀性的影响，明确了婴儿配方奶粉的射频加热模式，探索了射频杀菌过程提高加热均匀性的方法：单独射频加热时，物料为中心加热模式；热风辅助加热和包裹保温奶粉均可不同程度地改善射频加热均匀性。研究了射频杀菌温度、水分活度及加热方式对阪崎肠杆菌杀菌动力学的影响规律：随着杀菌温度（55-70°C）和水分活度（0.2-0.4）的升高，阪崎肠杆菌的热抗性降低；全程射频-热风联合杀菌方法具有最小的D、z值（水分活度0.2时，D70°C=23.3 min），与水浴处理差异不显著（P > 0.05）。采用透射电镜和流式细胞术从细胞层面上揭示了射频对婴儿配方奶粉中阪崎肠杆菌的灭活机理：射频及水浴均以局部成孔的方式破坏菌体膜结构，进而导致细胞质泄漏，并最终使整个菌体细胞裂解死亡；与水浴相比，高频电场作用不能额外地破坏菌体膜结构，表明射频热效应是导致微生物失活的主要原因；杀菌后受损阪崎肠杆菌不会自动产生膜修复而转变成正常菌，保证了产品货架期内的安全性。对比研究了达到工业应用所需的5个对数单位杀菌强度时射频与水浴杀菌对婴儿配方奶粉蛋白质、脂肪、乳糖等成分的影响与作用机理：射频处理在保持奶粉色泽方面有突出优势，且处理后蛋白质变性程度低，结构稳定性强；射频处理诱导了更明显的颗粒团聚现象。进一步揭示了恒温射频杀菌过程婴儿配方奶粉的颗粒团聚机制为：表面自由脂肪在加热过程中熔融，导致颗粒间形成液桥，温度降低后，脂肪部分或完全结晶，形成固体脂肪桥，促使相邻颗粒粘附。总体而言，较高的水分活度虽然有利于杀菌，但不利于营养品质的保持。在保障工业应用所需杀菌强度下，可接受的婴儿配方奶粉水分活度上限为0.4。