（食品科学专业论文）食品物料通电加热及高压电场节能干燥的应用研究.pdf

中国农业人学博上学位论文食品物料通电加热及高压电场节能干燥的应用研究2 0 0 2 年6 月 摘要 1 摘要 随着科学技术的进步，在食品制造中出现了许多新的电磁处理技术和加工方法。其中，利用通 电加热技术对食品物料进行加热处理和检测物性参数的变化是人们研究的热点之一。 由于高压电场 对蒸发和干燥具有促进作用，因此，电场作用下的干燥是电磁处理加工的另一个研究热点。但是， 人们对食品物料的电导率和利用电导率变化测量淀粉的糊化温度及其高压电场作用下食品物料的干 燥过程、能量消耗、节能率等还没有进行系统研究。因此：) 为了更好地应用这些技术，必须对有关 食品物料的电导率及其随温度的变化规律和电场作用下食品物料的干燥机理、节能率等进行研究。 本论文的研究以物理学、电磁学、食品物性学、化工原理、静电技术、测试技术等多学科的理 论为基础，主要开展了两个方面的研究工作：一是通过对电导率测试系统的完善和改进，研究了豆 浆和淀粉悬浮液在通电加热过程中电导率的变化规律并提出了确定糊化温度的方法；二是通过自行 设计制作的高压电场实验装置，研究了高压电场作用下的蒸馏水的蒸发和豆渣等食品物料的干燥过 程。f 主要内容包括： 1 自行设计制作了o h 一4 a 小型实验用通电加热装置，利用该装置能够实现加热速率的程序控 制； 2 利用电导率计研究了不同固形物含量的豆浆在水浴锅中加热时电导率随温度和固形物含量的 变化规律，结果发现豆浆的电导率不受加热速率的影响；当用5 0h z 的交流电对豆浆进行等电压条 件加热时，在固形物含量一定的条件下，豆浆的电导率不受电压大小的影响，并且与在水浴锅中加 热时使用电导率计测得的电导率变化规律相同。当利用o h - - 4 a 小型实验用通电加热装置对豆浆进 行等加热速率条件加热豆浆时，由于采用固态继电器自动控制加热速率，豆浆的电导率不仅与固形 物含量有关，而且还与加热速有关，主要原因是在控制加热速率的过程中，固态继电器输出电压的 波形发生了变化； 3 本文对不同种类和不同浓度的淀粉悬浮液在等电压条件下进行了通电加热实验，研究了电导 率随温度的变化规律。提出了在糊化温度范围内淀粉悬浮液电导率下降的机理。由于在淀粉的糊化 温度范围内，do d t - t 曲线的形状更类似于利用差示扫描量热法对淀粉进行热分析时得到的吸热峰 形状，首次提出了利用do d t - t 曲线确定糊化温度的方法，即运用在d s c 吸热峰曲线上确定糊化温 度的原则，在do d t - t 曲线上确定淀粉的糊化温度。由于电导率的降低是由淀粉颗粒膨胀减小了导 电粒子的通道面积、增大了导电粒子的运动阻力造成的。因此，在本研究中首次把d 0 d t - t 曲线上、 类似于d s c 曲线吸热峰的图形称为“阻滞峰”( b l o c kp e a k ) 。实验证明：在预糊化淀粉的do d t - t 曲线上则没有出现阻滞峰； 4 通电加热过程中淀粉悬浮液的浓度越高，do d t - t 曲线上的阻滞峰的形状越明显，阻滞峰与 淀粉糊化前后的do d t = 常数所围成的面积越大，越有利于淀粉糊化温度的测量；当淀粉质量与蒸 馏水质量保持不变时，随着食盐含量的增大，由于加热速率的提高，在do d t - t 曲线上的阻滞峰的 形状越明显，也有利于淀粉糊化温度的测量； 中国农业大学博士学位论文食品物料通电加热及高压电场节能干燥的应用研究 2 0 0 2 年6 月 摘要i i 5 建立了高压电场作用下蒸馏水蒸发实验装置，在该实验装置上研究了不同条件下高压电场对 蒸馏水蒸发速率的影响，得到：1 ) 电场作用下蒸馏水的蒸发速度与对比的蒸发速度之比随相对湿度 的增大而增大，即相对湿度较高时，高压电场对蒸发的促进作用越明显；2 ) 盛放容器对电场的作用 效果有较大影响：蒸馏水盛放在烧杯中时，在电压保持不变的条件下，蒸馏水的蒸发速度随电极之 间距离的增大而增大，蒸馏水盛放在培养皿中时，馏水的蒸发速度随电极之间距离的增大而减小。 主要原因是盛放容器影响了电力线的分布。3 ) 循环气流对电场的作用效果有较大影响，实验发现当 存在循环气流时，蒸馏水的蒸发速度比低于没有循环气流时的蒸发速度比： 6 建立了高压电场作用下的干燥实验装置，在该实验装置上主要对豆渣在1 0 5 。c 的烘箱中进行 了电场作用下的干燥实验，结果发现：电场作用下豆渣的干燥过程服从p a g e 模型。由于电场的作用， 豆渣的初始干燥速率是对比的2 5 3 5 倍，达到同样的含水量( 1 0 w b ) 时，节能率达到4 0 ，并 可节省干燥时间1 5 到4 0 。这对降低干燥能耗、提高干燥效率具有重要意义： 7 研究了高压电场对豆渣干燥质量的影响：电场作用下干燥后的豆渣饼仍是完整的，对比则出 现了裂纹甚至破碎，其主要原因是电场促进了豆渣内部水分向表面的扩散速率：初步分析了高压电 场促进干燥的机理。 本文晟后对利用通电加热原理测量淀粉糊化温度以及利用高压电场促进蒸发和干燥提出了进一 步研究的建议。、 关键词：通电加热，电导率，淀粉糊化，高压电场，蒸发，干燥 。_ _ 。一。“4 一“一 _ 一_ 一一 中国农业大学博t 学位论文食品物料通电加热发高压电场节能干燥的应用研究 摘要 2 0 0 2 年6 月 i i i a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs c i e n c et e c h n o l o g y ，m a n ya d v a n c e de l e c t r o m a g n e t i cp r o c e s s i n gt e c h n o l o g i e s h a v eb e e nd e v e l o p e d o n eo ft h em o s tp o p u l a rr e s e a r c ha r e a si s u s i n go h m i ch e a t i n gt e c h n o l o g yt oh e a t f o o d s t u f fa n dm e a s u r ep h y s i c a l p r o p e r t i e sp a r a m e t e r sa n da n o t h e r i se l e c t r o s t a t i c d r y i n gb e c a u s et h e e l e c t r o s t a t i cf i e l dc a n p r o m o t e t h e e v a p o r a t i n g a n d d r y i n gp r o c e d u r e b u tt h e r e a r es o m eo t h e r e l e c t r o m a g n e t i ct e c h n o l o g i e sh a v en o tg o ts y s t e m i cr e s e a r c hs u c ha st h ee l e c t r i c a lc o n d u c t i v i t yo f f o o d s t u i f , h o wt ou s et h ee l e c t r i cc o n d u c t i v i t yt om e a s u r es t a r c hg e l a t i n i z a t i o nt e m p e r a t u r ea n dt h ef o o d s t u f f d r y i n g p r o c e s su n d e rh i g hv o l t a g ee l e c t r o s t a t i c sf i e l d ，i n c l u d i n gt h ee n e r g yc o r h s o n ea n dt h ee n e r g ye f f i c i e n tr a t i o f o rt h eb e r e r a p p l i c a t i o n o ft h e s e t e c h n o l o g i e s ，t h e f u r t h e rr e s e a r c hs h o u l df o c u so nt h ee l e c t r i c c o n d u c t i v i t yi n c l u d i n gi t st e m p e r a t u r ev a r i a b i l i t ya n df o o d s t u f fd r y i n gt h e o r ya n de n e r g ye c o n o m yu n d e r h i g hv o l t a g ee l e c t r o s t a t i c sf i e l d b a s e do nt h e o r i e so f p h y s i c s ，e l e c t r o m a g n e t i c s ，f o o dp h y s i c s ，c h e m i c a le n g i n e e r i n g ，e l e c t r o s t a t i c s a n dm e a s u r e m e n tt e c h n o l o g y , t h e r ea r et w o p a r t sa d d r e s s e di nt h et h e s i s ：o n ei st h er e s e a r c ho fe l e c t r i c c o n d u c t i v i t yv a r i a t i o ni ns o y b e a nm i l ka n ds t a r c hs u s p e n s i o nh e a t i n gp r o c e s s ，w i t ht h ed e v e l o p m e n to f e l e c t r i c c o n d u c t i v i t ym e a s u r e m e n ts y s t e m t h eo t h e ri s t h ed e s i g no fh i 【g h v o l t a g ee l e c t r o s t a t i c sf i e l d e x p e r i m e n t a ld e v i c e ，u n d e rw h i c h t h ed e s t i l l e dw a t e re v a p o r a t i o na n d f o o d s t u f f d r y i n gp r o c e s sw e r es t u d i e d t h em a i nr e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： 1 d e s i g n e da n dm a n u f a c t u r e dam i n i t y p eo h m i ch e 撕n gd e v i c e ，n a m e do h 4 a ，f o rr e s e a r c h t h e h e a t i n g r a t ec a nb ec o n t r o l l e dw i t hd i f f e r e n tc o n t r o lp r o g r a m 2 t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ee l e c t r i c a l c o n d u c t i v i t yo ft h ed i f f e r e n ts o l i d sc o n t e n ts o y b e a nm i l k h e a t e di nw a t e rb a t ha n di t st e m p e r a t u r eh a sb e e nr e s e a r c h e dw i t ha ne l e c t r i c a ic o n d u c t o m e t e r t h er e s u l t s s h o wt h a tt h eh e a t i n gr a t ed o e sn o ta f f e c tt h ee l e c t r i c a lc o n d u c t i v i t yo f t h e s o y b e a nm i l k w h e n t h es o y b e a n m i l kw i t hc o n s t a n ts o l i d sc o n t e n tw a sh e a t e db yo h m i c h e a t i n gp r i n c i p l ew i t hs i n u s o i d a la i t e m a t i n gc u r r e n t , w h i c hf r e q u e n c yi s5 0h za n dt h ev o l t a g ei s c o n s t a n t ，t h e r ea r en oe f f e c t so ft h ev o l t a g ev a l u eo nt h e e l e c t r i c a lc o n d u c t i v i t yo fs o y b e a nm i l k , a n dt h ec h a n g eo ft h ee l e c t r i c a lc o n d u c t i v i t yw i t ht h et e m p e r a t u r e i ss i m i l a rt ot h ec h a n g eo ft h ee l e c t r i c a lc o n d u c t i v i t ym e a s u r e dw i t ht h ee l e c t r i c a lc o n d u c t o m e t e rw h e n h e a t e di nw a t e rb a t h w h e nt h es o y b e a nm i l kw a so h r n i c a l l yh e a t e dw i t ho h - 4 a m i n i t y p ed e v i c ea ta c o n s t a n th e a t i n gr a t e ，w h i c hc o n t r o lc o m p o n e n ti st h es o l i ds t a t er e l a y ( s s r ) ，t h ee l e c t r i c a lc o n d u c t i v i t y w a sn o to n l yaf u n c t i o no f t h es o l i d sc o n t e n tb u ta l s ot h eh e a t i n gr a t e t h em a i nr e a s o no f t h i sp h e n o m e n a i st h a tt h es h i po f t h ev o l t a g ew a v ew a s c h a n g e db ys s r 3 f r o mo h m i ch e a t i n ge x p e r i m e n t si ns a m ev o l t a g ew i t hd i f f e r e n ts p e c i e so fs t a r c h s u s p e n s i o ni n v a r i a t i o n c o n c e n t r a t i o n ，t h e l a wo ft h ee l e c t r i c a l c o n d u c t i v i t yv a r i a t i o nf o l l o w i n gt e m p e r a t u r ew a s d e v e l o p e d t h em e c h a n i s mo ft h ee l e c t r i c a lc o n d u c t i v i t yd e c r e a s e si ng e l a t i n i z a t i o nt e m p e r a t u r er a n g ei s a n l y s i z e d t h ed o d t - tc u r v ei ss i m i l a ra st h eh e a ta b s o r p t i o np e a ks h a p ew h i c hi sm e a s u r e db yd s c ，s o t h es t a r c h g e l a t i n i z a t i o nt e m p e r a t u r e c a nb ed e t e r m i n e di nd o d t - tc a l v e f o l l o w i n gt h e d s ch e a t 中国农业大学博士学位论文食品物料通电加热及高压电场节能干燥的应用研究 摘要 2 0 0 2 年6 月 i v a b s o r p t i o np e a kc u r v e a n di nt h i sr e s e a r c h ，t h ed c d t - tc u r v e ，w h i c hi ss i m i l a ra sd s cc u r v e ，w a sd e f i n e d a s b l o c kp e a k f i r s t l yf o rt h ee l e c t r c i a lc o n d u c t i v i t yd e c r e a s e sw h e nt h es t a r c hg r a i n e x p a n d s t or e d u c et h e e l e c t r i c a lp a r t i c l ep a s s i n ga r e a t h ee x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wt h a tt h e r ei sn ob l o c kp e a ko nt h ed a d t - t c u r v eo f t h ep r e g e l a t i n i z a t i o ns t a r c h e s 4t h eh i g h e rt h ec o n c e n t r a t i o no ft h es t a r c hs u s p e n s i o n , t h em o r ee v i d e n to ft h eb l o c kp e a ks h a p ei n d a l d t - tc a l v ea n dt h el a r g e ra r e ao ft h eb l o c kp e a ka m o n gt h el i n eo fdo d t = c o n s t a n ta n ddo d t , c e r t a i n l yi ti si nf a v o ro f t h em e a s u r e m e n to f t h eg e l a t i n i z a t i o nt e m p e r a t u r e w h e nt h em a s sr a t i oo fs t a r c h t ow a t e ri sac o n s t a n lt h eb l o c kd e a k ss h a p ei sm o r ee v i d e n tw i t ht h es a l tc o n t e n ti n c r e a s eb e c a u s eo ft h e i n c r e a s eo f h e a t i n gr a t e ，i ti sp r o p i t i o u st ot h em e a s u r e m e n t o f g e l a t i n i z a t i o nt e m p e r a t u r e 5 a ne x p e r i m e n t a ls e t u pi se r e c t e df o rd i s t i l l e dw a t e re v a p o r a t i o nu n d e rh i g hv o l t a g ef i e l d t h e e v a p o r a t i o nr a t e si nd i f f e r e n ts i t u a t i o n sa r er e s e a r c h e do nt h i ss e t u p t h em a i nr e s u l t sa r e ；1 ) w h e nt h e d i s t i l l e dw a t e ri se x p o s e dt ot h eh i g he l e c t r o s t a t i cf i e l d ，t h ee v a p o r a t i o nr a t er a t i oo f e x p o s e dt ot h ee l e c t r i c f i e l dt ot h ec o n t r o li n c r e a s e dw i t ht h er e l a t i v eh u m i d i t yi n c r e a s e t h a ti st os a yt h a tt h eh i g h e rt h er e l a t i v e h u m i d i t y , t h em o r ee f f e c t so ft h ee l e c t r i cf i e l do nt h ee v a p o r a t i o n 2 ) t h es h a p eo fc o n t a i n e rf o rw a t e r a f f e c t st h ee l e c t r i cf i e l dl i n e sd i s t r i b u t i o ns ot h a tt h ee v a p o r a t i o nr a t eo fw a t e ri nb e a k a ri n c r e a s e sw i t ht h e d i s t a n c eb e t w e e ne l e c t r o d e sb u tw h e ni np e 仃id i s h ，t h ee v a p o r a t i o nr a t ed e c r e a s e s 3 ) t h ec i r c u l a t i n ga i r f l o ww i lja f f e c tt ot h ee v a p o r a t i o nw h e nd i s t i l l e dw a t e rj se x p o s e dl i l ea ne l e c t r i cf i e l d t h er e s u l t ss h o w t h a tt h ee v a p o r a t i o nr a t i ow h e na i rf l o w si sl o w e rt h a nt h ee v a p o r a t i o nr a t i ow h e na i rd o e sn o tf l o w 6 a n e x p e r i m e n t a ls e t u pi sa l s oe r e c t e df o rd r y i n gi nh i g hv o l t a g ef i e l da n di ti su s e dt od r yt h eo k a r a i n1 0 5 c d r y i n go v e n i ti s f o u n dt h a tt h ed r y i n gp r o c e s so b e y st h ep a g em o d e l w i t ht h ee l c t r c i a lf i e l d f u n c t i o n t h ei n i t i a ld r y i n gr a t eo f o k a r ai s2 5 3 5t i m e st h a nc o n 仃o ls a m p l e s i f t h es a n l em o i s t u r ec o n t e n t i sr e q u r e d ，f o re x a m p l e1 0 w b ，t h ee n e r g ye f f i c i e n tr a t i oi sa b o u tt o4 0 a n dt h e d r y i n gt i m ec a nb es a v e d 1 5 t o4 0 w h e nt h es a m p l ei s e x p o s dt ot h ee l e c t r i cf i e l d i ti sv e r yi m p o r a t a n tt or e d u c et h ee n e r g y c o n s u m t i o na n di n c r e a s et h ed r y i n ge f f e c i e n c y 7 t h ee f f e c t so fe l e t r i cf i e l do nt h eq u a l i t yo f d r y i n go k a r ah a db e e ns t u d i e d ：t h eo k a r ac a k ei ss t i l l w h o l ew h e nt h eo k a r ac a k ew a s e x p o s e d t ot h ee l e c t r i cf i e l d b u tt h e r ea l es o m eo fc r a c ko nt 1 1 es u r f a c eo f t h ec o n t r o ls a m p l eo rt h ec o n t r o ls a m p l ei se v e nc a t a c l a s m t h em a i nr e a s o nf o rt h i si st h a tt h ed i f f u s i o n r a t eo fm o i s t u r ei nt h eo k a r ac a k ee x p o s e dt ot h ee l e c t r i cf i e l di s l a r g e ra n du n i f o r m e rt h a nc o n t r o l s ，t h e m e c h a n i s mo f e l e c t r o s t a t i cd r y i n gp r i l i m i n a r i l yi sa n a l y z e d s o m ep r o p o s a l so ff i l r t h e r s t u d yo fs t a r c hg e n a t i n i z a t i o nt e m p e r a t u r em e a s u r e m e n tw i t he l e c t r i c a l c o n d u c t i v i t ya n d e l e c t r o s t a t i cd r y i n gw e r em e n t i o n e d 鹞w e l li nt h et h e s i s k e y w o r d s ：o h m i ch e a t i n g , e l e c t r i c a lc o n d u c t i v i t y , s t a r c hg e l a t i n i z a t i o n , h i g hv o l t a g ee l e c t r o s t a t i cf i e l d ， e v a p o r a t i o n ，d r y i n g 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( 或我个人) 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。 研究一：岔岔傣蝴：加夕年月同 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：学校可以用不同方式在 不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名 李殇终 时间：夕棚2 年妇日 导师繇专鬯垮 帆砌z 年多月同 中国农业大学博十学位论文食品物料通电加热及高压电场节能干燥的应用研究2 0 0 2 年6 月 l 绪论 1 1 绪论 1 1 研究的目的和意义 食品物料的加热处理在食品工程单元操作中占有非常重要的地位，它不仅直接关系到最终产品 的质量，而且还关系到加工过程中能源消耗及其制造成本的高低。在对食品物料的漂烫、浓缩( 蒸 发) 、杀菌、蒸煮和干燥、焙烤等热处理加工过程中，传统加热所采用的传热方式主要包括传导、对 流、辐射三种以及这三种方式的不同组合。同其他单元操作一样，随着科学技术的进步，食品物料 的热处理过程也在向着高效率、低能耗、高品位方向发展。长期以来，虽然各国技术人员对此做了 大量研究，并取得了很多进展。但如何进一步降低能耗、提高加工品位，仍是技术改进的焦点i l l 。 虽然微波加热可以实现从物料内部加热，但由于微波透入深度的限制，加热不均匀是微波加热的一 大难题，并且微波加热的使用成本较高“1 ，限制了在微波加热在食品工程中的广泛应用。 在传统的加热处理过程中，对罐藏食品物料来说，如果罐内的食品为固体或粘稠液体( 或酱体) ， 热量的传递主要靠热传导；如果罐内的物料为低粘度的液体，热量的传递主要靠热传导和对流传热。 由于食品物料内部的传热速率较低，当罐内的食品达到充分蒸煮或杀菌时，将导致部分或全部食品 的过热。为了提高罐藏食品的质量，杀菌时常采用回转式杀菌锅、喷淋式杀菌锅等来提高传热速率： 减小包装尺寸，以减小传热路径；采用变化的杀菌温度( v r t ) ，提高在产品内温度渗透的均匀性“1 ； 提高杀菌温度，缩短杀菌时间；采用致死率f o 值的在线测量和在线控制及半自动控制系统，来防止 产晶过热，降低能耗。这些措施的采用，只能在某种程度上减少热处理对产品质量的影响，但没 有从根本上解决问题。对于液体食品，可采用高温短时( h t s t ) 或超高温( u h t ) 杀菌技术。对 于低粘度液体食品用换热器与加热介质强制换热，来提高加热速率；对于高粘度食品，采用直接注 入蒸汽法加热，但蒸汽的加入降低了食品物料的固形物含量，杀菌后必须通过蒸发浓缩来调整物料 的浓度，这不仅将损失部分芳香成分，而且能耗也大大增加。若采用刮板式换热器强制粘稠食品与 加热面的换热，可能破坏产品的完整性。对于含有颗粒的液体食品，不论采用那种加热方式，都由 于颗粒导热速率低造成液体部分和颗粒表面的严重过热。因此。在含颗粒食品液体物料的加热中， 颗粒的导热速率限制了其加热杀菌效果。在利用各种类型换热器对物料进行加热处理时，都存在着 加热壁面，即加热介质的热量通过壁面传递给被加热物料，在此过程中，加热壁面的温度高于被加 热物料。因此，在加热壁面上会形成被加热物料的结垢、焦煳等现象，严重的话，还会堵塞换热器 的通路。但随着通电加热技术的出现，这一问题有望得到解决。通电加热技术是利用电流通过物料 时在物料内部产生焦耳热，从而达到加热的目的。由于不受物料厚度的限制，并且加热均匀，通电 加热技术受到了人们的广泛关注。它特别适合于液体、酱体和含固体颗粒食品物料的加热，而且还 可以根据通电加热过程中食品物料电导率的变化来判定、检测食品物料的物性变化，如淀粉的糊化 等。但是，尽管w “c h iw a n g 等”1 提出了利用通电加热过程中淀粉悬浮液电导率的变化来测量淀 粉的糊化温度。但是，他们并没有明确淀粉糊化温度的确定原则和方法。 通过对食品物料的干燥，不仅可以得到符合含水量要求的产品，而且对食品的其它性质产生影 中国农业大学博士学位论文食品物料通电加热及高压电场节能干燥的应用研究2 0 0 2 年6 月 1 绪论 2 响，如香味、颜色、质构、贮藏寿命、营养物质等。因此，干燥对食品工= 业来说非常重要。但是， 据资料介绍，干燥所消耗的能最占整个食品j 二厂消耗能量的1 0 左右1 2 o 为了降低干燥过程中的能 源消耗，人们在传统干燥理论和技术的基础上，结合先进的加热方式，提出了许多先进的干燥技术 和方法，开发设计了许多新的干燥设备并在i ：业生产中得到了应用。这些方法的侧重点主要是放在 降低传热传质边界层厚度、提高传热传质速率、增大干燥面积等方面“”“1 1 9 1 。由于高压电场对蒸 馏水的蒸发和物料的干燥过程有促进作用，近年来受到了人们的关注。高压电场的作用不仅可以提 高干燥速率、节省能源，而且对产品的质量没有不良影响。根据l i t e l i 、f a d e l i 和e i z o t a t s u m i 对 豆渣干燥的实验结果，电场作用下的初始干燥速率是对比试样初始干燥速率的2 倍，节能率可达到 8 5 - - 9 0 ，并且缩短干燥时间2 5 左右“”。目前，高压电场作用下的干燥过程一般被称为电流体 力学干燥( e l e c t r o h y d r o d y n a m i cd r y i n g e h d d r y i n g ) 1 1 1 1 1 2 11 1 3 1 ，由于最近几年才引起重视，人们 对电场促进干燥的作用机理、节能效果、干燥模型等的研究还不够深入和系统，因此，限制了它的 推广应用。 1 2 国内外研究概况 1 2 1 通电加热过程中食品物料的电导率 通电加热( o h m i ch e a t i n g ) 也被称为焦耳加热( j o u l eh e a t i n g ) 、电阻抗加热( e l e c t r i c a lr e s i s t a n c e 等效电路 r u u 图1 1 通电加热原理示意图 1 一电极2 一食品物料r 一阻抗c 一电容j r 一相当于介电损耗的阻抗 f i g 1 一lt h e s k e t c ho f t h eo h m i c h e a t i n gp r i n c i p l e - - e l e c t r o d e2 一f 0 0 dm a t e r i a l r - - i m p e d a n c ec - - c a p a c i t a n c e r - - d i e l e c t r i cl o s si m p e d a n c e 中国农业大学博士学位论文食品物料通电加热及高压电场节能干燥的应用研究2 0 0 2 年6 月 1 绪论3 h e a t i n g ) 、直接电阻抗加热( d i r e c t e l e c t r i c a lr e s i s t a n c eh e a t i n g ) 、电加热( e l e c t r o h e a t i n g ) 和电导加热 ( e l e c t r o c o n d u c t i v eh e m i n g ) 等，其基本原理如图1 1 所示。它在电路中把物料作为一段导体，利 用它本身在导电时所产生的热量达到加热的目的1 4 1 0 通电加热的优点主要包括：能够精确控制产品的加热温度、加热温度均匀一致、升温速率高、 壁面没有污染和焦煳现象、维护费用低、当电源切断后加热过程没有滞后现象、热损失非常低等等。 尽管通电加热技术起源于一个多世纪前，但成功的商用技术是2 0 世纪二十年代发展起来的，主 要用于牛奶的消毒。到2 0 世纪三十年代后期，已有5 0 多个装置在美国运行。但后来由于没有解决 电极的腐蚀和没有相应的包装技术，以及其它能源，如石油和天然气逐渐变得便宜，致使该技术逐 渐衰退1 1 5 1 。最近几年，由于电极材料的改进，通电加热技术重新引起了人们的兴趣，部分研究成果 已经在食品工业中得到推广和应用1 1 6 1 。由于食品物料的电导率在通电加热过程中是决定食品物料内 部产热量多少的主要因素之一”，为了更好地设计通电加热系统，必须研究食品物料在通电加 热过程中电导率随温度的变化规律，因此，目前的研究主要集中在食品物料的电导率方面。尽管电 源的频率对物料的电导率有显著影响，但从使用成本的角度来讲，通电加热过程中使用电源的频率 应该是商用电网的频率，也就是说，食品物料在工频( 5 0 h z 或6 0 h z ) 下的电导率在通电加热装置 的设计中更为重要。 对于带有细胞组织物料的电导率研究方面，1 9 8 9 年m i t c h e l l 和a l w i s 1 开发了一个5 0h z 下电 导率测量装置，用来测量食品物料的电导率，发现当物料带皮( 如葫芦) 或具有各向异性( 如萝h ) 时，电导率明显不同。s e v u g a np a l a n i a p p a n 和s u d h i rk s a s t r y l 2 0 1 ( 1 9 9 1 a ) 利用6 0h z 的交流电研 究了3 种蔬菜( 马铃薯p o t a t o 、胡萝hc a r r o t 和山药y a m ) 和两种肉( 瘦牛肉l e a nb e e f 和鸡肉c h i c k e n ) 在通电加热过程中电导率的变化，结果发现：通电加热过程中，当电场强度为6 0vc m o 时，它们 的电导率随着温度的增加而线性增加。但当电场强度降低时，电导率与温度的关系变为非线性。他 们认为其主要原因是电渗透( e l e c t r o - o s m o t i c ) 的作用，由于生物组织含有大量的多孔膜，施加电压 将导致内部的液体沿毛细管流动，从而改变了电导率。s c h r e i e r 等( 1 9 9 3 ) “实验比较了传统加热 和通电加热时物质的扩散，发现甜菜红素从颗粒到液体的扩散速率随电压梯度的增强而线性增加， 表明通电加热增强了细胞内外的物质交换。s t a p l y 等人( 1 9 9 5 ) “用核磁其振脉冲场梯度研究萝h 内外物质的扩散，认为细胞壁是萝h 内水分运动的主要障碍。热加工破坏了细胞结构，使萝h 内水 分扩散阻力降低，因此，传统加热和通电加热后的萝h 的渗透能力差别不大，并且都远大于未处理 萝h 的渗透能力。t e t s u y a i m a i 等人“”( 1 9 9 5 ) 在电场强度为4 0 vc m “的条件下，用5 0 h z 1 0k h z 的交流电对日本白萝h 进行了通电加热实验，结果发现：在5 0h z 下，试样的升温速率最快，电源 频率越高，试样的升温速率越低，但当试样的温度超过6 0 c 后，试样的升温速率是相同的。今井哲 哉( 1 9 9 6 ) ”对植物细胞组织预煮或超高压处理后，在低电压梯度下电导率不再发生突变，进一步 证明了电压梯度和热加工对植物细胞产生了破坏作用。m a r y b e t h l i m a 、b r i a n eh e s k i t t 和s u d h i r k s a s t r y l 2 5 1 ( 1 9 9 9 ) 利用不同频率( 4 、l o 、2 5 、6 0h z ) 和不同波形( 方波、正弦波和锯齿波) 的电 源对萝h ( t u r n i pt i s s u e ) 组织试样进行了通电加热实验，测定了不同电源条件下萝h 的电导率随 温度的变化规律。结果发现：对实验所用波形来说，4h z 时的电导率最大，在频率为l o 、2 5 和6 0h z 时，正弦波和锯齿波对电导率的影响不显著；对方波来说，频率对电导率的影响都不显著；在频率 中国农业大学博t 学位论文食品物料通电加热及高压电场节能干燥的应用研究2 0 0 2 年6 月 1 绪论 4 一定的条件f ，与正弦波和锯齿波相比，方波的电导率最低；并且加热速率随频率的降低而增加， 他们认为这是由于蔬菜组织细胞结构的改变导致了这种结果并需要进一步研究。c s w a n g 、s z k o u 、l l k o u h u a n g 和j s b w u t 2 6 1 ( 2 0 0 1 ) 利用7 5v 的交流电在电场强度为5 0vm 。1 的条件 f ，通过通电加热测量了4 种蔬菜( 竹笋、甘蔗、莴苣、芥菜) 茎杆组织在2 5 到9 5 。c 范围内的平 均电导率，结果发现：竹笋和甘蔗沿着茎杆方向的电导率高于垂直于茎杆方向的电导率，而莴苣和 芥菜的电导率恰好相反。因此他们认为导管束( v a s c u l a rb u n d l e s ) 方向对电导率的影响大于软组织 细胞的形状对电导率的影响。 在鱼糜和肉糜类物料的电导率研究方面，朴墼