（农业机械化工程专业论文）脉动压力腌制咸蛋试验研究.pdf

摘要 本论文主要对脉动压力腌制咸蛋进行试验研究，设计了脉动压力咸蛋腌制设备，并对影响脉动 压力咸蛋腌制的各因素进行了试验分析。 脉动压力咸蛋腌制设备主要有空气压缩机，压力容器、压力变送器、电磁阀和压力控制器五部 分组成，能够实现试验所要求的脉动压力曲线 本论文分别对盐溶液浓度、腌制时间、脉动压力的幅值和高低压保持时间组合四个因素取五个 水平进行均匀试验设计与试验。对试验结果进行分析，脉动压力腌制咸蛋能显著缩短成蛋腌制时间， 2 - 3 天就能腌制出蛋黄出油的咸蛋。与传统加工方法相比，提高加工效率1 0 倍左右盐溶液浓度和 压力是影响咸蛋成熟的最主要因素，在试验范围内，盐溶液浓度对咸蛋含盐量成正相关关系，压力 对成蛋含盐量成负相关关系，两者的交互作用对咸蛋含盐量成负相关关系，高低压时间组合对咸蛋 含盐量也有较大的影响。 在单因素试验中，分别试验了脉动压力的频率、脉动压力的幅值、高压保持时间和低压保持时 问对成蛋腌制的影响。在试验范围内，脉动压力的幅值和频率越低咸蛋含盐量越高，高压保持时间 1 0 分钟时咸蛋含盐量最高，但成蛋含盐量随着低压保持时间的延长而提高得出最佳试验组合是脉 动压力幅值9 0 k p a 、高压保持时间1 0 分钟和低压保持时间1 5 分钟 关键词t 咸蛋，脉动，压力，品质 a b s t r a c t t h i ss t u d yh a sr e s e a r c h e dt h ep r o c e s so fs a l te g g su n d e rp u l s e dp r e s s u r e ，d e s i g n e dp u l s e dp r e s s u r e d e v i c ef o rb r i n i n ge g g sa n da n a l y z e dt h ef a c t o mw h i c hh a v ee f f e c t so l lb f i n m ge g g s p u l s e dp r e s s a r ed e v i c ef o rh r m i n ge g g sw h i c hm e e tt h en e e d sf o re x p e r t m a n t , i sm a d eo fa h - c o m p r e s s o r 、p r e s s u r ev e s s e l 、p r e s s u r es e l a s o g ，e l e c t r o m a g n e t i s mv a l v ea n dc o n t r o l l e r u n i f o r md e s i g ni n v o l v ef i v el e v e l so f b r i n ec o n c e n t r a t i o n 、b t o a tt i m e 、a m p l i t u d eo fp u l s e dp r e s s u r e a n dc o m b i n a t i o no fh i g ha n dl o wp r e s s u r e t h er e s u l t sr e v e a lt h a tt h ee g g sb r i n e du n d e rp u l s e dp r e s s u r ea r e 9 0 s h o r t e rt h a nu n d e rt r a d i t i o n a lm e t h o da n dh a v em u c hg r e a s ei ne g gy o l kb e t w e e n2a n d3d a y s b r i n e c o n c e n t r a t i o na n dp r e s s u r eh a v em a g n i t u d ee f f e c to l lb r i n i n ge g gi no u re x p e r i m e n t s t h ef o r m e rh a sa p o s i t i v ee f f e c to l ls a l tc o n t e n ti ns a l te g ga n dt h el a t e rh a san e g a t i v ee f f e c to ni t , t h ei n t e r a c t i o ne f f e c to f t h eb o t hf a c t o r sh a sap o s i t i v ee f f e c to ni tt o o ，t h ec o m b i n a t i o no fu g ha n dl o wp r e s s u r eh a sa c o n s i d e r a b l ee f f e c to l ls a l tc o n t e n t t h es i n g l e - f a c t o re x p e r i m e n ti n v o l v ep u l s ef r e q u e n c y 、a m p f i m d eo f p u l s e dp r e s s u r e 、m a i n t a i nt i m eo f h i g ha n dl o wp r e s g e ow i t h i nt h ee x p u r i m e n tr a n g e ，t h e8 m a i l e rf i e q u e n c ya n da m p l i t u d eo fp u l s e d p r e s s u r et h em o r es a l tc o n t e n ti ns a l te g g s , t h es a l te g g sh a v et h em o s ts a l tc o n t e n tw h e nt h eh i g hp r e s s u r e m a i n t a i n s1 0m i n u t e sa n dt h el o wp r e s s u r em a i n t a i n s1 5m i n u t e si no n ec y c l e t h eo p t i m a lp a r a m e t e r s ：t h e a m p l i t u d eo f p u l s e dp l s w ek e e p s9 0 k p a ( r e l a t i v ea t m o s p h e r e ) 、t h eh i g hp r e s s u r em a i n t a i n s1 0m i n u t e 8 a n dt h el o wp r e s s u r em a i n t a i n s1 5m i n u t e s k e yw o r d s ：s a l te g g , p u l s e ，p r e s s u r e ，q u a l i t y h 图标目录 图2 _ 1 细胞组织和物质迁移模式示意图6 图2 - 2 渗透过程中的物质迁移模式7 图2 - 3 压力脉动固态发酵反应器1 1 图2 4 气体脉冲压力变化 图2 _ 5 脉动真空传质机理 图2 - 6 蛋壳结构 。1 1 1 2 1 4 图2 - 7 蛋壳微观结构 表2 - 1 各种不同禽蛋的耐压度 图2 - 8 脉动压力加快渗透传质的机理 1 4 1 5 1 6 图3 - 1 脉动压力腌制咸蛋试验装置1 7 图3 - 2 脉动压力示意图1 7 表3 1 空气压缩机的性能指标：1 8 表3 - 2c y y b - 1 1 0 系列压力变送器基本性能指标1 9 图3 - 3 空气压缩机。2 0 图3 4 压力变送器2 0 图3 5 电磁阀2 0 表3 - 3 电磁阀的性能指标。加 图3 _ 6 压力控制过程简图2 0 图4 - 1e s - 4 2 1 数字盐分测定仪2 2 表4 - 1e s - 4 2 1 产品参数2 3 表4 _ 2 高低压时间组合。二1 3 表4 3 因素水平表2 3 表4 4 u l o ( 1 0 ”) 均匀设计表及试验结果2 5 表4 - 5 标准化数据2 5 图4 2 各组咸蛋煮熟后的照片。2 7 表4 6 脉动压力的频率2 8 表4 7 脉动压力的频率对咸蛋含盐量的试验结果2 8 图4 - 3 不同的脉动压力频率腌制的咸蛋照片。2 8 匿4 - 4 不同的脉动压力频率对咸蛋含盐量的影响2 9 表4 8 脉动压力的幅值对咸蛋含盐量的试验结果3 0 囝4 5 不同的脉动压力幅值腌制的咸蛋照片3 0 图4 6 脉动压力幅值对咸蛋含盐量的影响3 0 表4 - 9 高压保持时问对咸蛋含盐量的试验结果。3 1 图4 - 7 不同的高压保持时间腌制的成蛋照片。3 2 图4 _ 8 高压保持时间对咸蛋含盐量的影响。3 2 表4 - 1 0 低压保持时间对咸蛋含盐量的试验结果3 3 图4 - 9 低压保持时间对咸蛋含盐量的影响。3 3 图4 - 1 0 不同的低压保持时间腌制的咸蛋照片3 4 i v 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个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，也不包含为获得中国农业大学或其它教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示了谢意。 研究生签名：枷在芡 时间：弘神7 年月f 工日 f 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存、汇编学位论文。同意中国农业大学可以用不同方式在不同媒体上发表、 传播学位论文的全部或部分内容。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名： i ) 寻矽歇 导师签名也以入 时间：卯7 年f 月j 7 日 时阀：如7 年z 芦期 中国农业大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 选题背景与意义 第一章绪论 鸡蛋是人类晟好的营养来源之一，鸡蛋中含有大量的维生素和矿物质及有高生物价值的蛋白 质。对人而言。鸡蛋的蛋白质品质最佳，仅次子母乳鸡蛋还是无机盐的良好来源，含有8 的 磷、4 的锌、4 的铁、1 0 的蛋白质、6 的维生素d 、3 的维生素e 、6 的维生素a 、2 的 维生素b 1 、1 5 的维生素b 2 、4 的维生素b 9 、8 的维生素b 1 2 。这些营养都是人体必不可少 的，它们起着极其重要的作用，如修复人体组织、形成新的组织、消耗能量和参与复杂的新陈代 谢过程等 自1 9 8 5 年我国鸡蛋产量跃居世界第一位，连续2 0 多年保持世界第一产蛋大国的地位，鸡蛋 的消费和人均占有量也大大超过了世界平均水平但是鸡蛋生产具有强烈的季节性，容易腐败变 质，商品货架寿命短，而且产销旺季集中在高温高湿季节【l l 使养鸡场和广大养鸡户的经济效益 受到很大影响，每年因为鸡蛋的腐败变质造成的损失占鸡蛋总数的8 , - 1 3 ，直接经济损失达 多亿人民币。 咸蛋质地细软松沙，蛋白粉嫩雪白，蛋黄丰润鲜红，油露松沙，食味鲜美可口，营养丰富 2 1 把鸡蛋加工成咸蛋后，不仅增长保存时间，而且具有独特风味，并且与鲜蛋的营养价值极为接近 由于咸蛋的加工方法简单，费用低廉、风味特殊、食用方便、销路广阔，近年来产量剧增，除供 国内人民消费食用外，许多产品远销美国，日本、新加坡，马来西亚、缅甸和我国香港等1 0 多 个国家和地区【3 l ，深受消费者的欢迎咸蛋除直接食用外，还可用于加工月饼、面包等，提高其 他食品的档次和质量因此，咸蛋加工对改善人们生活，提高我国经济效益具有重要作用。但我 国传统咸蛋加工方法，由于采用自然渗透法而使加工周期较长，且咸蛋在加工过程中易受细菌感 染，严重影响了咸蛋品质和经济效益。本文提出脉动压力加工咸蛋方法，能够显著缩短咸蛋加工 时间，对我国鸡蛋加工业的发展具有重大意义 1 2 国内外研究现状 1 2 1 咸蛋腌制的研究现状 1 自然渗透法咸蛋腌制 咸蛋腌制在我国已有1 5 0 0 多年的历史了，传统的咸蛋腌制工艺多以自然渗透为主，最常见 的有草灰法、盐泥涂布法、包泥法和盐水浸渍法四种唧 ( 1 ) 草灰法将稻草灰和食盐先在容器内混合，再适量加永并进行充分搅拌混合均匀，使灰 料成为干湿度适中的团块，然后将灰料直接包裹于蛋的外面，再置于缸中密封贮藏。 c 2 ) 盐泥涂布法先将食盐放在容器内，加冷开水溶解，再加入经晒干、粉碎的黄土细粉， 中国农业大学硕卜学位论文第一章绪论 用木棒搅拌使其成为浆糊状，然后将挑好的原料蛋放入泥浆中，使蛋壳沾满盐泥，再将蛋取出滚 上一层干草灰入缸成熟。 ( 3 ) 包泥法将黄土捣碎与食盐混在一起，然后加水混合，使成为不稀不浓的糊状，便可以 包蛋。 ( 4 ) 盐水浸渍法用食盐溶液直接浸泡腌制咸蛋 2 快速渗透法咸蛋腌制 咸蛋的传统加工方法存在加工时间长，品质有待改善等问题，限制了咸蛋的加工。对此，广 大科技工作者提出了各种快速咸蛋加工方法，获得了可喜的成果。 ( 1 ) 加压快速腌制工艺 食盐向蛋内扩散的速度与环境状况有关，脉动压力状况下食盐的扩散系数是在常压状况下的 3 2 倍，即脉动压力使食盐通过蛋壳的扩散速度增加了2 倍多，脉动压力腌制5 天相当于常压状 态腌制1 6 天的效果，但脉动压力参数和后熟等情况有待于研究h ( 2 ) 超声波腌制工艺 超声波甚至是低强度的超声波作用都可使介质质点进入振动状态，从而增强液态介质的质点 运动，加速质量传递作用圆。通过跟踪检测咸蛋腌制过程中蛋清氯化钠浓度的变化，观察到蛋清 粘度对氯化钠进入蛋清的显著作用。利用超声波降低蛋清粘度的特性，把超声波技术应用于咸蛋 的腌制，明显促进氯化钠的渗透与扩散，缩短了腌制时间。这一结果从粘度的角度初步揭示了超 声波促进咸蛋腌制的机理，为超声技术在咸蛋生产中的应用提供了重要的理论依据 e l 。 ( 3 ) 香辛料与食品添加剂腌制工艺 在盐水中添加香辛料可生产风味独特的“五香”咸蛋 7 1 ，用香辛料与食品添加剂腌制咸蛋， 可促进食盐向蛋内的渗透和缩短咸蛋的腌制期，因为香辛料与食品添加剂中的酸性或碱性成分作 用于蛋壳，使蛋壳通透性增强；并且腌制液及蛋清中微生物数量明显减少，对蛋黄指数和蛋黄色 度没有不利影响 s x 9 1 其中，磷酸对咸蛋含盐量和蛋黄出油率影响较大，出油率和咸蛋含盐量成 正相关，当蛋黄出油率达到4 2 时就已经油露松沙，色泽、口感较好i l 川。 ( 4 ) 预处理后加恒压加工成蛋 首先用水将鸭蛋洗净，然后用碱洗，再用水将鸭蛋冲洗干净，晾干后把鸭蛋放入1 的盐酸 水溶液中泡1 0 分钟，然后放入饱和的食盐溶液中加恒压通过对蛋壳表面进行处理，使蛋壳表 面的毛细孔扩大，从而使食盐水溶液更容易通过蛋膜进入蛋清，使鸭蛋腌制过程缩短。只需7 d 左右就可腌制出合格的成蛋，蛋内的食盐含量及蛋黄内的油含量均达到国家标准，且口感很好【l ”。 3 其他方法咸蛋腌翻 随着人们生活水平的提高，人们越来越来重视咸蛋的品质、口感和感官等指标，迫切要求我 们腌制出色香味俱佳的咸蛋这方面的腌制主要包括： ( 1 ) 咸蛋腌制剂的腌制工艺【1 2 1 ”1 1 4 j 威蛋腌制剂可用于盐水浸泡法、泥包法和灰包法生产咸蛋，生产出的咸蛋符合农业部咸鸭蛋 无公害标准。盐水浸泡法生产成蛋，腌制剂对蛋内的水分、食盐含量，黏度、蛋黄含油量、蛋黄 指数和蛋黄色素等级都没有明显影响，对降低黑蛋黄产生率，预防黑蛋圈有显著效果，大大提高 咸蛋的品质和成品率，提高企业的经济效益 ( 2 ) 低盐蛋白咸蛋的腌制工艺啦l 2 中国农业大学硕士学位论文 第一章绪论 该工艺使得在蛋黄获得足够的盐分而出油的同时蛋白的盐度却很低，能满足人们的消费要 求。蛋品首先按照传统的盐水腌制技术腌制成普通成品咸蛋，然后把腌好的咸蛋浸渍到硫酸亚铁 酒石酸钾钠混合溶液中，再捞出，放于凉开水中浸渍2 - 8 天，捞出即得成品。 ( 3 ) 咸蛋纸制作咸蛋的工艺l 圳 将喷洒和浸渍咸蛋液的纸( 植物纤维织物或无纺布) 贴合包裹于洗净晾干的鲜蛋上，密闭存 放2 5 - 3 0 天，即成味美的咸蛋。该威蛋液主要由五香酒和红茶汁、粮白醋配制而成用该方法制 作的咸蛋与传统制咸蛋的方法相比具有：产品符号卫生要求，适宜于机械化生产，同时又能较长 时间地保证咸蛋制品的优良品质，不会变质不会过咸。 ( 4 ) 其它腌制咸蛋的工艺 其它腌制咸蛋的工艺包括：多味咸蛋的腌制工艺【”、咸金蛋的腌制工艺i l s l 、富晒咸蛋的腌制 工艺嗍、铁锌强化成鸡蛋的腌制工艺例等咸蛋腌制工艺。 1 2 2 咸蛋品质的研究现状 成蛋品质的衡量指标包括感官指标和理化指标在具体试验中可通过测量咸蛋含盐量、含水 量、含油量、p h 值、蛋黄色素等级和蛋黄指数1 2 t 1 2 2 1 等来衡量咸蛋品质。鸡蛋品质是决定威蛋质 量的前提和基础。鸡蛋由于产蛋时污染或者储存不当等原因，容易污染金黄色葡萄糖菌、白色葡 萄糖菌、大肠杆菌和沙门氏菌嘲而优质的新鲜鸡蛋污染有较少的菌类，同时腌制时又有利于食 盐快速均匀地向蛋内扩散和渗透，制成的咸蛋符合卫生要求，蛋黄出油，口感鲜美，外观完整 外界环境也是影响咸蛋品质的重要因素，在夏天空气温度高，湿度大，咸蛋腌制速度快，但 腌制过程中容易腐败变质：冬天空气温度低，空气干燥，腌制时间过长，因此，腌制咸蛋的最好 季节为春季和秋季州。 游离脂肪酸含量的增高，是脂肪酸败的主要因素之_ _ 1 2 - q 威蛋腌制期间游离脂肪酸含量变化 不大，稍有下降，对防止蛋黄中脂肪酸败有意义。从而也能起到延长成蛋保存期、免其腐败变质 的作用嘲 由于鸡蛋多含有菌类，而食盐有抑制细菌生长的功效食盐溶液的渗透压大于菌体渗透压， 能把微生物细胞中的水分渗出，使菌体细胞的原生质起分离作用，即质壁分离现象，于是细菌不 能再进行生命活动。同时腌制时由于食盐渗入蛋内，使蛋内水分脱出，降低了蛋内水分含量，从 而抑制了细菌的生命活动。食盐还可以降低蛋内蛋白酶的活动和低细菌酶的作用， 从而延缓了 蛋的腐败变质速度【l j 文献表明叨当食品中食盐浓度为1 0 时，已有明显的抑菌效果，但许多细菌还不能死亡 这是由于微生物的耐盐性各有不同，有的可耐1 0 - 1 8 的食盐浓度，甚至更高。金黄色葡萄糖 菌的耐盐性1 6 ，白色葡萄糖菌的耐盐性1 7 5 ，大肠杆菌的耐盐性8 5 ，乙型副伤寒沙门氏菌 的耐盐性7 5 网 1 2 3 存在的问题 咸蛋腌制虽然已有1 5 0 0 多年的历史了，但由于多采用传统方法腌制咸蛋，腌制周期较长， 3 中国农业大学硕士学位论文第一章绪论 且在咸蛋腌制过程中，易受微生物感染，影响咸蛋品质。 目前，咸蛋腌制的研究多集中在采用香辛料和食品添加剂进行腌制，一定程度上提高了咸蛋 的腌制速度和改善了咸蛋的品质，但是对成蛋腌制速度的提高并不显著。也有采用超声波进行咸 蛋的腌制，咸蛋腌制周期大大缩短，但超声波发生器的类型、最佳频率和作用时间，以及是否 可以在腌制期问利用超声波直接促进氯化钠的渗入以进一步缩短腌制时问的还有待于研究。 本实验室已经对脉动压力腌制咸蛋进行了初步探讨，结果表明脉动压力能显著缩短腌制周 期，改善咸蛋品质，但是较优的脉动压力参数( 脉动压力的频率、脉动比和脉动压力的幅值) 还 需要进一步的研究，本论文就基于此进行的试验研究。 1 3 课题的提出 对于草灰法、盐泥涂布法、包泥法和盐水浸渍法等，其设备简单，成本低廉，节省空间，适 合小规模生产及家庭作业，但加工不易操作，不易实现机械化、自动化，劳动强度大而且，这 些传统工艺存在生产周期长、威蛋黄表面容易出现粘滑松软，影响外观特征和色泽等问题1 6 1 对于当前国内外的研究现状，有一些研究者提出了缩短咸蛋腌制时问的方法，但效果甚微。 对于压力加工咸蛋方法。在咸蛋内外存在压力梯度阶段可以很好的提高扩散速度，随着渗透的进 行，咸蛋内外压力逐渐达到平衡，即蛋壳内外已不存在压力梯度时，将不会起到提高扩散速度的 作用，这样就等同于常压下腌制。抽真空方法可以很好的改善鸡蛋的贮藏性能，但并不能加快盐 分通过蛋壳及蛋壳膜的扩散速度。蛋壳内膜是阻止食盐扩散的主要因素，但是如果去掉蛋壳内膜 将破坏蛋的完整性，势必影响咸蛋的品质 鉴于我国是第一鸡蛋生产大国，鸡蛋生产又具有强烈的季节性，容易腐败变质，而相应的加 工方法却比较落后，基于此，本文提出脉动压力腌制咸蛋，其大大缩短了咸蛋加工时间和保证了 咸蛋的加工品质。 1 4 本论文研究内容 ( 1 ) 脉动压力装置的设计方案及其实现 脉动压力咸蛋腌制试验装置主要有空气压缩机、压力容器、压力变送器、压力控制器和电磁 阀五部分组成。空气压缩机为满足食品加工要求，选用沈阳北方空气压缩机有限公司生产的全无 油润滑空气压缩机，额定捧放压力为0 7 m p a ：压力容器为高压灭菌锅改造而成，额定压力为 0 1 4 m p a ；压力检测元件选用北京石大创业测控技术有限公司生产的c y y b - 1 1 0 型压力变送器， 量程为0 - 0 s i p a ；压力控制系统为试验室自行研制的控制器；动作执行元件选用亚德客企业( 集 团) 有限公司( a i r t a c ) 的2 w - 0 2 5 - 0 8 - a c 2 2 0 v 电磁阀，使用压力0 - t k g f c m 2 。 脉动压力的实现：开启加压电磁阀，向压力容器内加压( 压力由空气压缩机提供，加压速度 通过电磁阀控制) ，当压力达到一定值( 由压力传感器检测) 时，断开加压电磁阀并保持一段时 间( 由具体的试验来定) ，然后开启卸压电磁阀开始卸压( 卸压速度通过电磁阀控制) ，当卸压到 常压时，断开卸压电磁阀并保持一段时闻( 由具体试验要求来定) ，然后再次开启加压电磁阀加 4 中田农业大学硕士学位论文 第一章绪论 压，不断实现压力循环，从而实现脉动压力。 ( 2 ) 渗透传质机理的研究 渗透传质包括渗透和扩散两部分引起的传质渗透是指溶剂分子透过半透膜进入溶液，或者 稀溶液进入浓溶液的扩散现象。传质是指某种形式的势或“推动力”所引起的分子或流体微元的 运动1 4 】。 影响渗透传质的因素包括：原料的组织特性、渗透溶质的选择、渗透溶液的浓度、渗透溶液 的温度、渗透溶液和原料的质量比，渗透传质时间和渗透过程的搅拌等。为了加快渗透传质，一 般应用高静压、脉冲电场、超声波、真空和离心力等 ( 3 ) 利用所设计的脉动压力设备进行成蛋腌制的试验 脉动压力技术可以有效的提高咸蛋腌制速度。本论文选取盐溶液浓度、腌制时间、脉动压力 的幅值和高低压保持时间组合四因素，每个因素取五个水平进行均匀试验设计和试验，根据试验 结果进行数据分析。 为进一步分析脉动压力对咸蛋腌制的影响，在其他因素设定后，分别选取脉动压力的幅值、 高压保持时间、低压保持时间和脉动压力的频率进行单因素试验，以便更加清晰的看出各因素对 咸蛋腌制的影响，找出咸蛋腌制的最佳试验组合 5 中嗣农业大学硕士学位论文第二章脉动压力加快渗透传质的理论研究 第二章脉动压力加快渗透传质的理论研究 2 1 渗透传质基础 传质现象遍及整个自然界，它在所有科学和工程部门中是重要的【4 】。在一定温度下，将植物 组织或动物组织浸入高渗溶液，由于生物组织细胞膜的半透性，水分从细胞组织中渗出并溶入溶 液，伴随着水分的渗出，高渗溶液中的溶质或多或少会渗入细胞组织，生物组织自身的可溶性物 质，如有机酸、矿物质、还原糖、风味与色素物质等也会有少量渗出，这一过程一般称之为渗透 传质纠渗透传质包括渗透和扩散两部分引起的传质。 分子扩散是在相内有浓度差( 或浓度梯度) 存在的条件下，由于分子的无规则运动而导致的 物质传递现象p o j 扩散总是从高浓度处向低浓度处转移，并将继续到各处浓度均等才停止，因而， 浓度差愈大，扩散速度也将睫之增加，扩散速度还随温度的升高而增加。渗透就是溶剂从低浓度 溶液经过半透膜向高浓度溶液扩散的过程。溶液的浓度愈高，渗透压就愈大，就温度来说，每增 加1 。c 。渗透压就会增加0 , 3 , - 0 3 5 1 蹑3 ”。 2 1 1 渗透传质中的物质迁移嘲 将具有细胞结构的食品原料浸入高浓度渗透溶液，原料最外层的细胞和渗透液接触，由于细 胞内溶液和渗透液的浓度差，最外层细胞因失水而收缩，如图2 - 1 所示最外层细胞失水后，其 细胞内溶液与第二层细胞内溶液产生浓度差，第二层细胞中的水分向第一层细胞中迁移，第二层 细胞开始收缩。随着渗透的进行，水分迁移和组织结构收缩现象由食品原料的表面向中心进行， 最终，经过较长时间的浸泡后，物料中心水分也向外迁移，物质迁移趋于平衡。若将食品原料浸 入低浓度的渗透溶液，则这一过程正好相反，食品原料吸收水分，组织结构膨胀。 渗透引起的水分迁移是自发的、非破坏性的，这是由于细胞膜具有半透性，只有小分子的物 质如水分子才可以自由通过。然而。由于食品原料内部结构的复杂性和前处理可能对细胞膜造成 的破坏，细胞膜的半透性并非是理想的由于浓度差异，食品原料中水分向井迁移的同时，溶于 其中的少量天然溶质也随之渗出而进入高渗溶液，渗透液中的溶质也向食品原料中迁移渗入 图2 1 细胞组织和物质迁移模式示意围 传质过程存在两种主要的物质传递现象：溶有溶质的水分渗出食品原料和渗透溶质渗入食品 原料，因而传质过程是多组分物质的迁移过程，即两种同时进行的反向溶液流动及细胞间气体流 6 中国农、世大学硕士学位论文第二章脉动压力加快渗透传质的理论研究 出( 图2 - ：2 ) 。渗出食品原料的溶液中溶有有机酸、还原性糖、矿物质、部分风味与色素物质等， 这些流出的物质会影响最终产品的感官特性和营养特性。渗透液中的可溶性物质也会被食品原科 吸收，这为调节食品原料的功能提供了可能。由于细胞膜的半透性，大分子的可溶性物质渗入后 积聚在细胞外空间。 渗透溶液细胞组织 气体 溶有天然溶质的水 渗透溶质 图2 2 渗透过程中的物质迁移模式 许多实验研究了渗透传质中两种反向的物质迁移动力学。物质的迁移通常用原料失水率、原 料固形物或渗透溶质增加率、原料重量损失率来表示原料失水率和渗透溶质增加率可分别通过 一定量的食品原料在某一段时间内水分损失或渗透溶质增加的速率来计算，也可通过一定量的食 品原料在某一段时同内水分损失总量或圃形物增加总量来计算。 传质过程物质的迁移受物料参数的影响，对于生物性原料如水果、蔬菜，鱼和肉类，水分含 量，成熟度、组织结构、多孔性、原料形状和大小都影响水分与原料溶质的渗出及渗透液溶质的 渗入这些物质的迁移遵循如下机制：因浓度梯度引起的水分和溶质扩散迁移；因外界压 力、组织收缩和毛细管作用造成体系压力不同而导致的水分和溶质的毛细管迁移；气孔内水分 迁移；因毛细管的凝结作用而导致的气孔内水蒸汽的扩散；因表面浓度差异。水分在气孔 表面的扩散。由于食品原料的复杂结构，传质过程的物质迁移往往是这些机制共同作用的结果 浸入渗透液的食品原料，由于发生物质迁移，可认为是一动态体系而食品原料是一种多组 分体系，其传质过程是多组分物质迁移的过程，多组分总的物质迁移特性是由单个组分迁移特性 决定的。不同的组分，其迁移机制、迁移速率、平衡浓度一般很不相同，影响着体系的动力学和 最终平衡水分、渗透液溶质、原料的天然溶质和气体同时渗入或渗出食品组织引起的复杂物质 迁移现象中，每一组分的迁移都影响其他组分也受到其他组分的影响。以往的研究积累了大量有 关固液接触渗透过程中物质迁移现象的信息，分析了渗透的机制及多孔性细胞原料相互作用的物 质迁移。但有关物质迁移的传统方程尚不能完全揭示多组分物质迁移的规律。 2 1 2 影响渗透传质的因素 1 原料的组织特性 不同的原料有不同的渗透传质效果，对同一种原料而言，其组织结构的坚实程度，初始可溶 性固形物含量、细胞外空间的大小、酶活力高低、密度、多孔结构等都影响着原料的渗透传质效 果，渗透引起的组织结构的变化也会影响原料的物质迁移特性。此外，原料的形状和大小也影响 渗透过程的物质迁移例。鸡蛋的蛋清粘度和蛋壳与蛋壳膜的多孔性对食盐进入到蛋内和蛋内水分 渗出有显著影响，而蛋黄的脂肪是阻止盐分进入到蛋黄的最主要因素。 7 中同农业大学硕士学位论文第二章脉动压力加快渗透传质的理论研究 2 渗透溶质的选择 常用的高渗透溶液有糖类和盐类，前者主要为：蔗糖、葡萄糖、果祷、高果糖浆等；后者为： 氯化钠、柠檬酸钠等。一般来说，糖溶液用作水果的高渗透液，盐溶液用作蔬菜和畜禽产品的高 渗透液渗透溶质的分子量及其离子行为与水分的脱出量、固性物的增加量和达到平衡时的物料 水分含量密切相关。溶质的分子量对渗透过程的速度并无显著的影响，但渗透压与溶质分子量及 其浓度有一定的关系。对建立一定的渗透压而言，溶质的分子量越大，需用的溶质重量也就越大 若溶质能离解为离子，则能提高渗透压，用量可以减少，如1 肌1 5 的n a c l 溶液与6 0 的蔗糖 溶液渗透压相当。而形成同样的渗透压，葡萄糖溶液的浓度就可低于蔗糖溶液的浓度1 2 9 3 0 3 2 1 渗透传质产品最终品质很大程度上受到渗入溶质的量的影响，如蔗糖的渗入会改变水果的组 成，从而影响产品的糖酸比及风味。渗透溶质的选择主要取决于所期望的原科失水率与渗透溶质 增加率的比值以及最终产品的感官特性要求l 嚣j 3 渗透溶液的浓度 渗透溶液的浓度越高，渗透液与原料细胞液问的渗透压差就越大，原料的失水率也越大，其 产品的总固性物和可溶性固性物的含量都增加，很多研究均采用6 5 9 b r i x 左右溶液，5 1 5 的盐 溶液嘲但渗透液浓度增加时，其粘度必然增加，水分的扩散系数就会降低，对扩散速度产生不 利影响。且浓度越高，溶质的渗入也会增加。此外，浓度过高引起的粘度增加还会影响渗透液的 搅拌。渗透溶液浓度的确定取决于原料及渗透溶质的特性和加工要求刚 4 渗透溶液的温度 渗透过程中，原料的失水率随着温度的升高而增加，但溶质的渗入率也会增加温度过高时， 原料的风味会受到影响，还可能出现褐变嘲。温度的确定应在保证产品感官品质的前提下，获得 所希望的产品品质。 5 糟透溶液与原料的质量比 渗透溶液与原料的重量比在1 0 ：1 以上，可保证渗透过程中渗透溶液的浓度较为一致，防止渗 透溶液稀释对渗透速度的影响网 6 渗透传质时间 原料在渗透液中浸泡的时间越长，失水率和溶质的渗入率越高但长时间的浸泡会影响产品 的感官品质及营养品质，特别是会增加微生物污染的可能性1 2 9 1 7 渗透过程的搅拌 搅拌在苹果渗透传质中的研究表明：搅拌明显影响水分的迁移，可提高原料的失水率，但对 溶质的渗入影响不明显嘲。f i g e n k - e 研究豌豆的渗透脱水研究表明，用4 0 的蔗糖溶液和2 0 的柠檬酸盐溶液浸泡豌豆4 小时，搅拌和不搅拌失水率分别为5 0 和3 5 ，可见渗透脱水时，进 行搅拌的果蔬，失水量明显增加p q 。 2 1 3 提高渗透传质速率的方法 渗透传质过程中物质迁移的速率一般较慢，许多实验试图在不影响最终产品质量的前提下， 利用高新技术提高物质迁移速率，这些方法包括：高静压力( h i g hh y d r o s t a t i cp r e s s u r e ，简称h h p ) 、 脉冲电场( 叫d e l e c t r i c f i e l d ，简称p e f ) 、i i ! 声波( u l u a s o n i c ) 、真空( v a c u u m ) 、离，0 , ：j ( c e n t r i f u g a l 8 中国农业大学硕士学位论文 第二章脉动压力加快渗透传质的理论研究 f o r c e ) 等。 1 高静压的应用 渗透过程物质的迁移与原料细胞膜的半渗透性密切相关。渗透传质中，传质层从与渗透溶液 接触的原料表面向中心移动，由于水分的渗出，细胞体积减小，细胞膜与细胞壁分离，细胞结构 破坏，细胞膜的渗透性提高。 原料渗透前进行i - i t t p 处理，由于加压、减压的变化使细胞壁结构受到破坏，原料的组织结 构发生明显变化，细胞膜的渗透性提高，与未处理的样品相比，渗透过程物质迁移速率提高。经 高压处理的样品，其组织吸收水分的扩散系数和溶质渗出组织的扩散系数较未处理的样品高。但 随着处理压力的提高，水分扩散系数降低，这是由于细胞膜半透性的破坏降低了其复水性能网。 2 脉冲电场的应用 p e f 以其安全无害、传递均匀、处理时间短，能耗低等优点成为食品加工的又一新技术1 3 y p e f 处理能破坏食品中生物组织细胞的细胞膜，促使孔隙的形成，改变其通透性。细胞膜内外均 有自然电位差，外加电场使得膜内外电位差( 穿透膜电位，简称t mp ) 增大，当n 佛高于约1 v ( 生物细胞膜自然电位差) 时，细胞破裂而导致细胞膜结构紊乱、极的形成和通透性的提高，通 透性的改变可以是可逆也可以是不可逆，主要取决于电场强度e 、脉冲宽度和脉冲次数( 即处理 时间) 经电场处理后，细胞膜等离子体变得可以透过小分子，由于渗入导致细胞膜膨胀，使细 胞膜破裂。有效的高压电场的作用导致孔的形成和细胞膜的破坏。尽管各种细胞有不同的形态结 构和电生理学特性。但都有一个临界的膜电压。膜的通透性不可逆所需的电脉冲与细胞直径的大 小成正比当细胞膜被破坏后，水分和其它小分子物质传质加快例 p e f 对脱水过程物质迁移的影响较对膜的破坏显著，p e f 虽然提高了细胞膜的渗透性，但对 溶质的渗入影响很小。可以认为渗透过程溶质的渗入不仅和膜的渗透性有关，而且与预处理引起 的化学变化及结构变化有关。p e f 对物质迁移的影响与场强、脉冲持续时间，脉冲数、脉冲波形 状和脉冲能量密度有关唧 3 超声波的应用 超声波与声波一样，是物质介质中的一种弹性机械波，其频率范围为2 x 1 0 + - 2 1 0 - * h z ，超 声波在物质介质中形成介质粒子的机械振动，这种含有能量的超声振动引起的与媒质的相互作 用。从物理的角度可归结为热机制、机械机制和空化机制嘲。超声波会引起介质一系列快速、连 续的压缩和膨胀变化，可加速具有扩散现象的许多过程，这与食品原料的传质密切相关圆 超声波甚至是低强度的超声波作用都可使介质质点进入振动状态，从而增强液态介质的质点 运动，加强质量传递作用 5 1 。超声波可在液体中产生“空穴作用”，即介质分子之间的平均距离在 超声波的作用下增大到超过极限距离，从而破坏液体结构的完整性。出现微小气泡气泡在绝热 收缩和崩溃的瞬间会在其周围极小空间范围内产生1 9 0 0 - - 5 2 0 0 k 的高温和5 0 m p a 的高压，温度变 化速度达1 0 3 k s ，并伴有峰值达1 0 8 n m 2 的冲击波和时速达1 0 0 m s 的喷射流产生，可以在瞬 问击穿细胞膜，增强细胞膜的渗透性，加快渗透过程的扩散超声波在介质中振动可引起强烈的 搅拌作用，此外，超声波产生的“空穴”不断形成和消失，在溶液中形成强烈的旋涡。也起到搅 拌作用，这些搅拌作用促进渗透过程中物质的扩散渊。研究证实：利用超声波腌制咸蛋，能够降 低蛋清黏度，明显促进氯化钠的渗透和扩散，缩短腌制时间 6 1 超声波在瞬间击穿细胞膜而对果蔬组织结构和细胞外形不产生破坏作用，利用超声波渗透传 9 中国农业大学硕士学位论文 第二章脉动压力加快渗透传质的理论研究 质可在较低的渗透液温度下获得较高的水分渗出和溶质渗入速率，同时保留原料的天然风味、色 泽和热敏性营养成分。c a r l o s 在5 5 0 c 条件下应用超声波进行甜椒渗透传质研究表明，超声波显著 影响甜椒的质量传输，加大总固形物增加率和水分减少率，但是，超声波处理对坚实度有不利影 响p 1 。 4 真空的应用 应用真空腌制m a n c h e g o 奶酪和其他食物能缩短腌制时间和促进盐分在食物中分布达到理想 状态。由于水压力机制( h y d r o d y n a m i cm e c h a n i s m s ，简称h d m s ) 和浓度梯度引起的扩散现象加 速了盐分渗入，并认为h d m s 是由于压力差和毛细管作用引起的压力梯度。真空腌制过程中，由 于真空作用产生的压力梯度，加速了物料气孔内气体和水分的渗出和外部溶液填充此空位，提高 了溶质的渗入速度1 3 s l 。r a s t o g i 和r a g h a v a r a o 研究认为真空条件影响达到平衡的速率，不改变平 衡水分含量。真空使原料气孔中充满渗透液，增加了溶质渗入的面积，利用这一现象改变食品原 料的组成，可获得功能性食品 3 9 1 。 5 离心力的作用 在渗透过程中应用离心力提高了苹果和马铃薯样品的脱水率( w a t e rl o s s ，简称w l ) ，却减少 了样品的固形物增加率( s o l i dg a i n ，简称s g ) ，应用离心力还有利于缩短渗透脱水时问 4 e 1 a m a m i 应用离心力、脉冲电场和增加盐浓度进行渗透脱水试验，显著的提高了胡萝 样品 的w l 和减少了s g 、复水性和复水产品的坚固程度，还有利于缩短渗透脱水时间，与常规干燥 产品相比更少的受热力影响【4 1 i 截止目前，离心力作用的研究还不够全面深入，有关不同转速离 心条件下渗透溶液温度和浓度、渗透溶质类型及组合、食品原料形状和大小等对渗透传质的影响 仍需作系统的研究。 2 2 脉动压力技术 压力脉动的目的是渗透传质时，渗透膜两边有压力梯度存在，从而加速渗透传质，包括溶液 中的溶质向加工物料的渗透和物料内气体和水分向溶液渗透。压力脉动包括高压脉动和真空脉 动，高压脉动是指压力在常压和高压之间交替变化，而真空脉动是压力在常压和真空之间交替变 化 2 2 1 高压脉动 高压脉动目前主要应用于固态发酵，中国科学院过程工程研究所生化工程国家重点实验室 4 2 1 已成功研制出压力脉动固态发酵反应器，其主要由不锈钢体、磁力耦合系统及压力控制系统组成， 如图2 - 3 所示气体脉冲压力变化如图2 _ 4 所示，罐体气相压力脉动通过无菌空气的加压与卸压 实现：一个周期时间由加压时间( 随罐体大小而变，一般由气源能力而定) ，峰压稳定时间( t l ， 一般为0 5 分钟，人为设定) ，卸压时间( 要求尽可能短，压降速度要快，使固体培养基潮湿颗粒 问的气体发生突然膨胀而使料层发生松动) 及谷压稳定时间( t 2 ，随微生物代谢阶段而变，人为 设定) 4 段组成，罐体始终处于正压状态。气体内循环速度根据微生物不同的代谢阶段通过变速 马达人为设定 中国农业大学硕士学位论文第二章脉动压力加快渗透传质的理论研究 8 一 山 至 、 r 出 圉2 - 3 压力脉动固态发酵反应矗囝2 q 气体脉冲压力变化 在压力脉动固态发酵中，因气体分子“无孔不入。嘲，当加压时气体会进人固态基质内部， 突然卸压时，会导致固态基质内部的气体迅速排出这一方面造成固态基质更加疏松、孔隙度增 加，另一方面，气体的传递由分子扩散变成对流扩散，强化了氧的传递、从而强化微生物反应， 最终表现为促进了微生物的生长，但压力脉动的幅值达一定程度后( 0 3 5 m p a ) ，再增加脉动幅度， 对基质的孔隙率影响不大，从而导致o t r 不再增加 利用环境扫描电镜观察压力脉动固态发酵与传统固态发酵微观动态过程表明，压力脉动有利 于改善底物微生物生长环境，有助于底物之间传热，传质，加速微生物对底物的快速分解吸收州 压力脉动固态发酵能显著提高发酵产品中的活菌数嗍，提高了发酵微生物蛋白质的质量嗍，且能 缩短发酵周期 脉动周期、脉动压力的幅值及其保持时问和低压压力及其保持时问对固态发酵影响显著。保 持低压及保持时间不变，高压保持时间的变化，对黑曲霉产酶影响较大【盯1 在高、低压分别设定 为0 2 、0 m p a ，高压保持时问为0 分钟条件下，研究了不同低压保持时间对活菌数的影响，由实 验结果可以看出，o t r 、活菌数随低压保持时间的缩短而增加，这表明采用高的变压频率可以促 进微生物的生长瞪l 。 2 2 2 真空脉动 脉动真空技术可以看作是在抽真空的情况下将食品浸泡于溶液中加工的过程，还可以说是在 真空和大气压交替变化的状态下进行传质的过程嗍。 脉动真空可以加速流体的流动从而促进食品组织中的水分向溶液中渗透并加快溶