利用低温琼脂凝胶颗粒溶解性进行液体物料温度测量的方法

1.本发明属于温度测量技术领域，涉及液体物料温度测量，特别涉及一种利用低温琼脂凝胶颗粒溶解性进行液体物料温度测量的方法。


背景技术：

2.杀菌是液体食品加工中的关键技术。为了保障杀菌效率，同时最大程度地保留营养成分，提高液体食品加热均匀性是关键，因为加热不足的食品会增加微生物风险，过度加热又可能会造成严重的营养损失，降低感官价值。为了获知液体食品在加热中的温度及温度分布，需要一种准确的温度及温度分布测量方法。目前测量液体物料温度的常用测温装置主要有热电偶，光纤温度传感器及热成像仪。但这些装置对于确定液体物料的受热情况存在以下不足：首先，测温点都是固定的位置，无法有效反应液体整体的加热情况。第二，为了获得更准确的温度及温度分布，必须安装足够多的测温探头，不仅会带来成本的增加，而且过多的测温装置会受到加热设备结构的限制。第三，有些技术因为自身限制不能使用金属探头进行测温，如微波加热技术和感应加热技术。因此寻找一种便捷可靠的液体物料测量温度的方法在液体物料加热应用中十分必要。
3.目前，关于液体温度测量方法及系统的研究报道有很多，通过对公开专利文献的检索，发现如下几篇相似的公开专利文献：
4.1、公开号cn113701906a的专利公开了一种液冷回路中测量液体温度的方法，在液冷回路的待测管路中接入三通管件，通过三通管件异于连接待测管路的接口将热电偶的导线引入待测管路，实现冷回路中液体温度的测量。
5.2、公开号cn109708773a的专利公开了一种液体温度测量的方法、处理器和系统，通过对灭菌腔体内的饱和蒸汽的压力波动、腔壁温度波动或者样本容器采样温度波动，进行装载容量的准确计算，进而求导出腔内容器装载的综合热传导系数，最终可通过获得的两项参数，计算出液体装载的平均温度值。
6.3、公开号为cn103926018a的专利公开了一种利用声波检测液体温度的装置和方法，将多种声波信号转换为多种数字波形信号，根据接收的多种数字波形信号计算与多种数字波形信号一一对应的多个频率；将计算的频率和振幅与存储的对应关系表进行比对，得到实时温度。
7.上述公开专利文献的液体温度测量成本高、工艺复杂，温度测量的准确性不够高。
8.琼脂是红藻中提取出来的一种亲水性胶体，又称琼胶和洋菜。其分子式为(c12h18o9)n。其塑型性好，制成琼脂凝胶后形状更加坚挺、不倒塌、弹性足。而且琼脂被美国食品与药品管理局认定为一般公认安全的食品添加剂，不限制在食品中的添加量。低温速溶琼脂具有很好的温度反映特性，可以迅速的反映温度的变化，而且在75～100℃范围有良好的溶解性质，符合巴氏杀菌的温度范围要求。本发明旨在提出一种利用低温琼脂凝胶颗粒溶解性进行液体物料温度测量的方法。


技术实现要素：

9.本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种利用低温琼脂凝胶颗粒溶解性进行液体物料温度测量的方法，能够对液体物料内的温度分布进行精确测量，有效解决准确反映液体物料在加热中的温度及温度分布均匀性的难题。
10.本发明解决其技术问题是通过以下技术方案实现的：
11.一种利用低温琼脂凝胶颗粒溶解性进行液体物料温度测量的方法，其特征在于：所述方法的步骤包括：
12.s1、低温速溶琼脂凝胶颗粒制备
13.1)称取一质量的低温速溶琼脂并置于烧杯中，加入去离子水搅拌使得低温速溶琼脂均匀分散得到琼脂溶液；
14.2)将1)的琼脂溶液置入微波炉中进行加热，为防止液体暴沸，每加热30s，将液体取出进行搅拌，直至得到澄清透明的溶液；
15.3)将上述2)的溶液置于室温25℃进行冷却，得到凝胶状的琼脂凝胶；
16.4)将上述3)的琼脂凝胶切割5mm
×
5mm
×
5mm的琼脂凝胶颗粒；
17.s2、液体物料温度测量
18.在液体物料中置入设定温度可溶解的琼脂凝胶颗粒，加热到一定温度时，计量琼脂凝胶颗粒的残余量，获得液体物料的平均温度；
19.1))建立琼脂的溶解特性，琼脂的溶解特性是指一定浓度的琼脂在一定温度下其溶解率随时间的变化；
[0020][0021]
其中：x为琼脂溶解率，％
[0022]mt
为琼脂在溶解时间t剩余的质量，g
[0023]
m0为琼脂的初始质量，g；
[0024]
2)设置恒温水浴锅的温度分别为85℃、87.5℃、90℃、92.5℃、95℃和97.5℃，将制备好的琼脂凝胶颗粒放置在镂空容器上并置于恒温水浴中加热，同时记录琼脂凝胶颗粒在不同温度下不同溶解时间t的溶解率x，得到不同温度下琼脂溶解率随时间的变化曲线；
[0025]
3)对上述曲线进行线性拟合，
[0026]
x＝kt
ꢀꢀꢀ
(2)
[0027]
k＝f(t)
ꢀꢀꢀ
(3)
[0028]
t为溶解温度；k为系数；
[0029]
对k与t进一步拟合，根据变化曲线上的数值可得：
[0030]
k＝3.827-0.08721t 0.000499t2ꢀꢀꢀ
(4)
[0031]
将式(4)代入式(2)，获得琼脂凝胶的溶解率x与溶解温度t、溶解时间t的关系，如式(5)所示：
[0032]
x＝(3.827-0.08721t 0.000499t2)
×
t
ꢀꢀꢀ
(5)
[0033]
对公式(5)进行变换，得到溶解温度与k、t的表达式：
[0034]
t＝85.11 33.00x-0.3216t-16.29x2 0.002435t
2-0.1957x
×
t
ꢀꢀꢀ
(6)
[0035]
将琼脂凝胶颗粒放置于被加热的液体物料中，通过测量一定加热时间t的琼脂溶
解率x，通过式(6)即可计算出此时液体物料的温度t，该温度即为利用琼脂凝胶颗粒测得的液体物料的平均温度；
[0036]
s3、液体物料温度分布测量
[0037]
1)单次测量确定温度分布：通过式(6)确定溶解时间t1时琼脂凝胶颗粒完全溶解的溶解温度t1，如果实际测量溶解率为x1，即有x1的琼脂凝胶颗粒溶解，则称测量液体有x1的部分温度达到或超过温度t1；
[0038]
(2)连续测量确定温度分布：将琼脂凝胶颗粒放置于被加热的液体物料中，通过连续测量一定加热时间t1，t2，t3，
…
，tn，分别得琼脂溶解率为x1，x2，x3，
…
xn，(xn≤100％)；通过式(6)确定对应时间t1，t2，t3，
…
，tn琼脂凝胶颗粒的完全溶解温度t1，t2，t3，
…
，tn；称测量液体有x1的部分温度达到或超过温度t1，测量液体有x2的部分温度达到或超过温度t2，测量液体有x3的部分温度达到或超过温度t3，
…
，测量液体有xn的部分温度达到或超过温度tn；
[0039]
同时，称有(x
2-x1)的液体温度分布在区间t2～t1之内，称有(x
3-x2)的液体温度分布在区间t3～t2之内，
…
，称有(x
n-x
n-1
)的液体温度分布在区间tn～t
n-1
之内。
[0040]
而且，所述步骤s1中，微波炉的加热功率为500w～1000w；冷却的时间为2～4小时。
[0041]
而且，所述步骤s3中，液体物料中可加入食用色素，水浴加热的温度为80℃～100℃。
[0042]
本发明的优点和有益效果为：
[0043]
与现有技术相比，本发明通过建立低温速溶琼脂颗粒的溶解性数学模型，从而利用琼脂凝胶溶解性测定液体温度，其测温效果良好，可以达到快捷、方便的测定液体温度的效果；
[0044]
同时，测量工序成本低廉，制备工艺简单，对于工艺设备条件要求不高，未来可应用于液体食品工业和相关行业，可以有效降低企业生产成本，便于规模化生产，具有实际应用意义。
附图说明
[0045]
图1为本发明实施例浓度为1％的琼脂凝胶颗粒在不同温度下的溶解率曲线图；(a)代表温度为87.5℃下琼脂凝胶颗粒的溶解率；(b)代表温度为90℃下琼脂凝胶颗粒的溶解率；(c)代表温度为92.5℃下琼脂凝胶颗粒的溶解率；(d)代表温度为95℃下琼脂凝胶颗粒的溶解率；
[0046]
图2为本发明实施例浓度为1％的琼脂凝胶颗粒在不同温度下的溶解率对比图；
[0047]
图3为根据本发明实施例1与对比例1的测量温度对比图。
具体实施方式
[0048]
下面通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。
[0049]
一种利用低温琼脂凝胶颗粒溶解性进行液体物料温度测量的方法，其创新之处在于：所述方法的步骤包括：
[0050]
s1、低温速溶琼脂凝胶颗粒制备
[0051]
1)称取1g低温速溶琼脂并置于250ml烧杯中，加入100ml去离子水搅拌使得低温速
溶琼脂均匀分散得到琼脂溶液；
[0052]
2)将1)的琼脂溶液置入微波炉中进行加热，加热功率1000w，为防止液体暴沸，每加热30s，将液体取出进行搅拌，直至得到澄清透明的溶液；
[0053]
3)将上述2)的溶液置于室温25℃进行冷却，得到凝胶状的琼脂凝胶；
[0054]
4)将上述3)的琼脂凝胶切割5mm
×
5mm
×
5mm的琼脂凝胶颗粒；
[0055]
s2、液体物料温度测量
[0056]
在液体物料中置入设定温度可溶解的琼脂凝胶颗粒，加热到一定温度时，计量琼脂凝胶颗粒的残余量，获得液体物料的平均温度；
[0057]
1))建立琼脂的溶解特性，琼脂的溶解特性是指一定浓度的琼脂在一定温度下其溶解率随时间的变化；
[0058][0059]
其中：x为琼脂溶解率，％
[0060]mt
为琼脂在溶解时间t剩余的质量，g
[0061]
m0为琼脂的初始质量，g；
[0062]
2)设置恒温水浴锅的温度分别为85℃、87.5℃、90℃、92.5℃、95℃和97.5℃，将制备好的琼脂凝胶颗粒放置在镂空容器上并置于恒温水浴中加热，同时记录琼脂凝胶颗粒在不同温度下不同溶解时间t的溶解率x，得到不同温度下琼脂溶解率随时间的变化曲线，如图1、2所示；
[0063]
3)对上述曲线进行线性拟合，
[0064]
x＝kt
ꢀꢀꢀ
(2)
[0065]
k＝f(t)
ꢀꢀꢀ
(3)
[0066]
t为溶解温度；k为系数；
[0067]
根据附图1可得不同温度t下的k值，如表1所示，
[0068]
表1不同温度t下的k值和温度的关系表
[0069]
kt/℃0.018387.50.0253900.034192.50.0454950.07397.5
[0070]
对表1中k与t进一步拟合，根据变化曲线上的数值可得：
[0071]
k＝3.827-0.08721t 0.000499t2ꢀꢀꢀ
(4)
[0072]
将式(4)代入式(2)，获得琼脂凝胶的溶解率x与溶解温度t、溶解时间t的关系，如式(5)所示：
[0073]
x＝(3.827-0.08721t 0.000499t2)
×
t
ꢀꢀꢀ
(5)
[0074]
对公式(5)进行变换，得到溶解温度与k、t的表达式：
[0075]
t＝85.11 33.00x-0.3216t-16.29x2 0.002435t
2-0.1957x
×
t
ꢀꢀꢀ
(6)
[0076]
将琼脂凝胶颗粒放置于被加热的液体物料中，通过测量一定加热时间t的琼脂溶
解率x，通过式(6)即可计算出此时液体物料的温度t，该温度即为利用琼脂凝胶颗粒测得的液体物料的平均温度；
[0077]
s3、液体物料温度分布测量
[0078]
1)单次测量确定温度分布：通过式(6)确定溶解时间t1时琼脂凝胶颗粒完全溶解的溶解温度t1，如果实际测量溶解率为x1，即有x1的琼脂凝胶颗粒溶解，则称测量液体有x1的部分温度达到或超过温度t1；(2)连续测量确定温度分布：将琼脂凝胶颗粒放置于被加热的液体物料中，通过连续测量一定加热时间t1，t2，t3，
…
，tn，分别得琼脂溶解率为x1，x2，x3，
…
xn，(xn≤100％)；通过式(6)确定对应时间t1，t2，t3，
…
，tn琼脂凝胶颗粒的完全溶解温度t1，t2，t3，
…
，tn；称测量液体有x1的部分温度达到或超过温度t1，测量液体有x2的部分温度达到或超过温度t2，测量液体有x3的部分温度达到或超过温度t3，
…
，测量液体有xn的部分温度达到或超过温度tn；
[0079]
同时，称有(x
2-x1)的液体温度分布在区间t2～t1之内，称有(x
3-x2)的液体温度分布在区间t3～t2之内，
…
，称有(x
n-x
n-1
)的液体温度分布在区间tn～t
n-1
之内，如表2所示。
[0080]
表2使用琼脂测量温度分布的测量原理表
[0081]
温度区间比率》t1x1t
2-t1x
2-x1……
t
n-t
n-1
x
n-x
n-1
[0082]
记录所加入的琼脂在5s，10s，和15s时的溶解率；将5s、10s、15s和x为1代入得到的数学模型t＝85.11 33.00x-0.3216t-16.29x2 0.002435t
2-0.1957x
×
t中，求得琼脂颗粒在对应5s、10s、15s时完全溶解的温度分别为94℃、93.2℃、92℃。
[0083]
测量结果显示在5s时溶解率为13.8％，通过式(6)可知加热5s琼脂完全溶解需要的温度为94℃，则称测量液体物料的整体温度有13.8％的部分温度达到或超过94℃，相对应的有86.2％的部分温度处于94℃以下；类似的，通过10s的溶解率为26％可以反映出测量液体物料有74％的部分温度处于93.2℃以下；通过15s的溶解率为40％可以反映出测量液体物料有60％的部分温度处于92℃以下。
[0084]
通过测量液体的有86.2％的部分温度处于94℃以下和有74％的部分温度处于93.2℃以下这两个描述可知，测量液体有12.2％的部分温度介于93.2℃和94℃之间。类似的，测量液体有14％的部分温度介于92℃和93.2℃之间。根据上述结果讨论，可得出测量液体的部分温度分布范围，如表4所示。
[0085]
对比例1：热电偶测量温度法
[0086]
将100ml的水置于250ml的烧杯中，将加水的烧杯放于zdm-2b型微波多功能加热平台微波腔中进行加热(设定功率为1000w，加热时间3min)，加热结束后，用热电偶传感器对杯中水温进行测量，测量结果如图3、表3所示。
[0087]
如图3和表3所示，本发明的实施例和对比例1中，结果显示利用琼脂测温与热电偶测量的最大温度差为0.3℃，最大误差在5％以内，说明利用琼脂的溶解模型进行温度的测量结果准确。
[0088]
表3本发明实施例和对比例1测量温度的对比表
[0089]
时间/s溶解率/％琼脂拟合温度/℃热电偶测量温度/℃3010％8079.8
±
0.25021％79.2778.8
±
0.27021％77.7377.4
±
0.19059％79.2578.9
±
0.1
[0090]
对比例2：光纤探头测温度分布
[0091]
将100ml的水置于250ml的烧杯中，将加水的烧杯放于zdm-2b型微波多功能加热平台微波腔中进行加热(设定功率为500w，加热时间4min)，加热结束后，使用两组光纤探头不断改变位置测量烧杯中冷点和热点的温度，以获得水中的最大温差，实验结果显示如表5所示。
[0092]
如表4和表5所示，对比例2中，使用琼脂测量的温度分布在光纤探头测量的最高温度和最低温度范围之内，这间接证明了使用琼脂测量温度分布区间的准确性，虽然，实际测量的区间范围受限于琼脂的溶解性质，但是这为测量液体的不均匀性分布提供了新思路，且可以有效反映一些具体温度范围之内的液体部分占液体总量的多少，是一种新型的测量温度分布的手段。
[0093]
表4本发明实施例的液体物料温度分布情况表
[0094]
温度区间比率＞94℃13.8％93.2℃-94℃12.2％92℃-93.2℃14％＜92℃60％
[0095]
表5本发明实施例与对比例2的测量温度分布表
[0096]
时间/s最低温度/℃最高温度/℃5s88.0396.810s88.4396.315s88.5395.9
[0097]
尽管为说明目的公开了本发明的实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的，因此，本发明的范围不局限于实施例和附图所公开的内容。