利用高压脉冲电场加速食物解冻的实验研究及其装置的研究.docx

4Bailey C AChen B H.Chromatographicanalysesofxanthophylls10胡晓丹.金盏菊花色素的研究D.华中农业大学2001届硕in egg yolks from laying hens fed turf bermudagrass(Cynodondactylon)mealJ.JFoodSci,1989,54(3):584-586,592. 尹兆正,童莲芳.蛋黄色素的研究进展J.中国家禽,1994,(4):32-33. 黄艳群(译).黄色类胡萝卜素在蛋黄着色上的应用J.国外 畜牧科技,2000,27(1):38-39. 王业勤,李勤生.天然类胡萝卜素研究进展、生产、 应用M.北京:中国医药科技出版社,1997. 李忠.枸杞子类胡萝卜素化学及抗氧化作用研究D.华中农 业大学1998届博士学位论文. 彭光华.类胡萝卜素及其抗乳腺癌机理研究细胞凋 亡、细胞间隙连接通讯、基因表达及基因芯片检测D. 华中农业大学2002届博士学位论文.士学位论文.马自超,庞业珍.天然食用色素化学及生产工艺学M.北京: 中国林业出版社,1994. 李永函,金送笛,刘国才,等.菹草型水体的理化因子和水生 生物状况J.大连水产学院学报,1992,6(2):1-11. 任久长,乔建荣,董巍,等.菹草(Potamogetoncrispus)的生态 习性和在京密引水渠的发生规律研究J.北京大学学报(自 然科学版),1997,33(6):749-754. 赵春生,李景林.红卵黄鸭蛋生产技术研究及效果分析J. 资源开发与市场,2000,16(6):323-324.Brittson G“. General Carotenoids Methods”in “MethodsinEnzymolory(Vol111)SteroidsandIsoprenoids (Part B)”M.Academic Press,New York,1985.115126137814915利用高压脉冲电场加速食物解冻的实验研究及其装置的研究方 胜，孙学兵，张 涛，何 酉，路 波，于 淼(北京工商大学机械自动化学院，北京100037)摘 要：在前期研究的基础上，通过对三种高压脉冲解冻装置的比较建立了高压脉冲电场解冻装置。并通过对冰、豆腐、肉糜和肉块的解冻试验，利用实验数据分析结果，揭示了在高压脉冲电场作用下对冰水相变的加速作用及 其规律，然后对此规律的机理进行了探讨。关键词：高压脉冲电场；解冻Study on Food Thawing Accelerated by HPEF andDesign of Experiment DeviceFANG Sheng，SUN Xue-bing，ZHANG Tao，HE You，LU Bo，YU Sen(College of Mechanical Automation, Beijing Technology & Business University, Beijing 100037, China)Abstract：Basedoninitialstudy,throughthecomparisonofthethreehighvoltagepulsethawingequipments,themostproperequipment was chosen. Through analyzing data of water, bean curd, minced meat and diced meat in the thawing experiment, we foundtheroleof highvoltagepulseelectricfieldinacceleratingthefoodthawingandthemechanism,andthenwediscussedthe prospect.Key words：high voltage pulsed electric fields(HPEF)；thawing method中图分类号：TS203.7文献标识码：A文章编号：1002-6630(2003)11-0045-06收稿日期：2003-08-03作者简介：方胜，男，34 岁，副教授，硕导，研究方向为食品加工、贮藏与保鲜。食品科学基础研究462003, Vol. 24, No. 11冷藏食品在使用之前大都需要经过解冻过程，而在食品的冻结解冻过程中必然会发生各种物理、化学变 化，影响食品的品质。因此，要使解冻之后的食品的品 质保持得更好，通过研究适当的解冻方法、装置以及关 键的冰水相变过程使食品在解冻之后尽可能的接近冷冻前的状态，即使解冻的时间尽可能的短，解冻的终温尽可 能的低，解冻食品的表面和内部的温差尽可能的小，汁 液流失尽可能的小，并要有较好的卫生条件1 。为了加速食品的解冻过程，同时尽量完美的保持食 品的品质，研究人员对各种解冻方法进行了大量的研 究，根据解冻时间长短目前的解冻方法可以分成两大类：慢速解冻和快速解冻。其中，快速解冻属于新型的 非热式的解冻方式，包括高压解冻，超声解冻和电解 冻。而电解冻又可以分为：远红外辐射解冻，高频解 冻，低频解冻，微波解冻，静电解冻4 。其中静电解 冻是指将被解冻食品放置于高压静电场中，利用高压电 场微能源产生的效果，使食品解冻。这种解冻方法的显著特点是，解冻速度快，解冻后食品温度分布均匀，汁 液流失少，能有效的防止食品的油脂酸化，而且一定强 度的高压静电场对微生物具有抑制和灭杀的作用，有利 于食品品质的保护3 。但是目前国内外对于食品在高压电场中的解冻情况的 研究为数甚少，对解冻机理的研究非常不足，而且所用电场仅限于静电场，没有考虑其它形式的电场。因此， 针对目前情况，在前人的研究基础上本文对冰 - 水、冻 豆腐和冻肉丁在高压脉冲电场中的相变情况进行研究， 其中主要研究高压脉冲电场发生装置及作用效果两个方 面，同时对其相变中可能的作用机理进行一定的探讨。高压器件，制作工艺复杂，致使其价格非常昂贵，而且体积庞大。因此从资金和试验条件多方面考虑这种电源 不适合使用。方案二：借鉴前期研究中的静电场电源的设计，采用通用高压包改造的静电高压电源，建立装置如图 2 。在该试验中，高压极板和接地极板均设计成为圆盘，其中高压极板直径为接地极板的 1/2 或者更小，高 压极板接静电高压电源的输出极，接地极板接地，试验 材料置于接地极板的一端，从而在高压极板和接地电极 之间建立非均匀电场，其中位于高压极板正下方时，属 于高场强区，远离高压极板正下方时，属于低场强区。 电动机带动接地电极转动，位于接地极板一端的试验材 料由远及近靠近高压极板，又由近到远远离高压极板， 经受了一个电场强度由低到高又由高到低的变化过程， 即模拟了高压脉冲电场的作用效果。然而，在设计中本试验设备方案遇到了很大的困 难，此装置产生的电压脉冲幅度究竟有多大，需要用计 算机来进行模拟计算。经过多方咨询，目前国内尚无三维非对称电磁场模拟，即使用三维对称电磁场计算来进 行模拟计算的可靠方法。因此实验设备由方案三取代。方案三：利用开关电源的原理，使用现有的高压电 源，作成高压脉冲电源。并且建立试验装置。该装置由高压脉冲电源，试验箱，温控仪以及保护装置组成。1 试验方案1.1 试验装置的确定方案一：直接购买高压脉冲电源，建立试验装置如 图 1 。经过多方的调查，目前高压脉冲电场广泛应用于石油，化工，航天等领域，但是由于这些设备一般都采用图3 通用设备改造的电源 电源该电源能提供连续可调的 04.2kV 的脉冲电压，额 定输出功率 300W，脉冲频率 4kHz25kHz 连续可调，输 出脉冲正负宽度之比为 1:1。电源电路原理流程图、电路图及输出电压波形如图 4 。升压输出脉冲控制电路整流器变压器电源基础研究食品科学2003, Vol. 24, No. 11471.3.1冰 - 水解冻量取不同量的实验蒸馏水放入容量瓶中，把温度传感器固定在液体的几何中心后，在 -25 下将水冻结成冰。把冰放在试验区域的中部，每次做两个平行样品试 验，并且保证每次试验中冰所放的位置基本相同。在 10 的环境温度下，将冰按不同的试验条件进行解冻。1.3.2 食物解冻1.3.2.1解冻时间高压脉冲电场对食品解冻的加速作用是本课题研究的重点，因此，解冻时间是本试验的一个重要评价指标。 在实验过程中，非均匀记录食品解冻过程中的温度。然 后，根据食品的解冻曲线得出食品的解冻时间，从而比较在不同电场条件下和不加电场条件下食品解冻速度上的 差异。 1.3.2.2汁液流失食品经过冻结 - 解冻过程后，内部的冰晶融解成水，这部分水由于不能被食品重新吸收恢复到原来的状态， 从而形成汁液流失。在流失的汁液中不仅包含水分，还 包含糖、蛋白质、盐类、维生素等等可溶性成分。因此，汁液流失不仅使食品的重量减少，而且使食品的风 味、营养成分受到损失。所以，本实验把汁液流失作为 评价指标之一。通过比较不同电场条件和不加电场条件 下食品解冻后的汁液流失情况，得出高压脉冲电场对于 食品解冻后食品品质的影响。 试验箱在该装置中，采用了 SC-100 冷藏柜内腔改造为试验 箱。冷藏柜的制冷系统用来保证试验区域的低温环境。 在冷藏柜中放置一个塑料箱, 把冷藏柜内壁和电场区隔离 开，同时作为电极板的支架。试验区左侧极板作为高压 极板，右侧极板作为接地极板。 控温装置 在试验进行过程中，经过多种温控仪器的使用和比较，最终选择上海医用仪表厂生产的 WMZK-01 型温控 仪，灵敏度为 1 ，温控范围在 -50 50 。 保护装置 由于实验是在高压下进行的，为了保护试验人员的安全，在试验设备设计中配备了一个放电棒，用来释放 试验完毕后残留在高压极板上的电荷，其次在试验操作 范围内设置绝缘垫，供试验人员在操作过程中蹬踏使 用。除此之外，还要保证电源的地线和放电棒的地线的 可靠接地。在试验过程中，必须将冷藏柜门关闭，解冻 终止后，先关闭电源再打开冷藏柜门，用放电棒释放高压极板上的残留电荷后，方可取出试验材料。2 结果与分析2.1 电场脉冲频率对食物解冻效果的影响2.1.1冰 - 水解冻取 100ml 蒸馏水，在电场强度为 22kV/m 时，测定不同电场脉冲频率对解冻效果的影响，试验安排以及结果如下表 2 ，将表 2 数据绘制成曲线，如图 6 所示： 从数据和曲线可以看出，在电场的作用下，冰的解冻时间总体上得到缩短。当电场脉冲频率为 7kHz 和 20kHz 时解冻时间缩短百分率都在 8% 左右。而在频率为 10kHz 时，解冻时间缩短百分率只有 4.1% 。从以上数据来看，表2 电场脉冲频率对冰解冻的影响结果1.21.3试验仪器试验方案电场脉冲频率(kHz)071020解冻时间(h)解冻时间缩短百分率(%)12.33011.338.111.834.111.427.4表1 试验仪器规格型号数量生产厂家温控仪温度传感器 托盘天平 冷藏柜 冷冻柜量筒 容量瓶WMZK-01 ZHL338 KCTP11B 10 SC-100DXZ25370 1311114上海医用仪表厂北京医用天平厂青岛澳柯玛电器公司 北京医用低温设备厂100L-25250ml600ml食品科学基础研究482003, Vol. 24, No. 11电场脉冲频率对解冻效果影响趋势是明显的，但加速解冻作用的时间数据却并不大。2.1.2冻豆腐解冻将豆腐分别在 14 kV/m 及不同脉冲频率下进行解冻，实验安排和豆腐解冻后的失水量见下表。记录解冻过程中豆腐中心的温度变化，绘成解冻曲线如图 7 。表3实验安排表试验材料豆腐电场强度(kV/m)脉冲频率(kHz) 冻豆腐解冻后失水量(g)14101757185201802.1.4肉块解冻按照前述实验步骤分别在不加电场和电场强度为25kV/m、电场脉冲频率为 20kHz 两种条件下进行解冻实验。记录肉块中心在解冻过程中的温度变化，绘制成解 冻曲线如图 9 所示。从图 9 可以看出，肉块在高压脉冲电场中的解冻速度 要明显快于不加电场的情况，从 -5 开始计时，7h 后， 在电场中解冻的肉块中心温度达到了5.6,而在不加电场的 情况下，肉块中心温度只有 -1.1。在肉块中心温度达到6 后，停止实验，结果表明电场中解冻后的肉块汁液流 失只有 4.5%，而对照样汁液流失达到了 10.7%，两者的 流失液均为红色，流失液在颜色上没有明显差异，也就 是说在电场中解冻后肉的品质比不加电场时有所上升。2.2 电场强度对食物解冻效果的影响从图 7 中可以看出，冻豆腐在高压脉冲电场中的解冻速度随着脉冲频率的增加而加快，在电场强度为 14kV/m、 脉冲频率为 20kHz 下，温度突变比在电场强度为 14kV/m、 脉冲频率为 7kHz 时提前了大约 3h，电场脉冲频率的变化 对冻豆腐解冻后的失水量影响不大，都在 180g 左右。2.1.3肉糜解冻把本组实验中一次性制备的肉糜每次取 100g 放入实2.2.1冰 - 水解冻取 100ml 蒸馏水，在电场脉冲频率 20kHz 下，测定验杯中分别在电场强度为 14kV/m、脉冲频率为 20kHz 和电场强度为 14kV/m、脉冲频率为 7kHz 以及不加电场情况 下解冻，记录解冻过程中肉糜中心的温度变化，绘成解 冻曲线如图 8 。从图 8 可以看出，肉糜在电场脉冲频率为 20kHz、电 场强度为14kV/m下的解冻速度只比在图示条件下的解冻过 程中频率为 7kHz、电场强度为 14kV/m 时略有提高，但 不明显，并且在图示三种解冻条件下肉糜解冻后汁液流 失均不明显。不同电场强度对解冻效果的影响，试验安排及结果如表 4和图 10 。 可以看出，解冻时间的缩短随电场强度的增大而显表4电场强度对冰解冻效果的影响电场强度(kV/m)051422解冻时间(h)解冻时间缩短百分率(%)12.33012.171.311.834.111.427.4基础研究食品科学2003, Vol. 24, No. 1149表6冻豆腐解冻后的失水量电场强度(kV/m)0142028失水量(g)220190171137图 11 ，豆腐解冻后的失水量见表 6 ，失水量随电场强度变化的趋势如图 12 。从图 11 曲线可以看出，冻豆腐在高压脉冲电场中的 解冻速度随着电场强度的增加而加快。当电场脉冲频率 一定(20kHz)时，在电场强度为 28kV/m 下，豆腐中心温 度达到 4比在电场强度为 14kV/m 下提前了大约 5.5h。 从图 12 可以看出，在高压脉冲电场下冻豆腐解冻后 的失水量明显降低，并且随着电场强度的增大而减少。从上述的实验结果来看，食品在电场中解冻的速度 要快于不加电场的情况，食品解冻后的品质相对不加电场 解冻时有所上升，电场强度、电场的脉冲频率都对实验 结果有一定的影响，实验范围内食品的解冻速度随着电场 强度、电场的脉冲频率的增加而增加。但是，电场脉冲 频率对于食品解冻过程的影响要弱于电场强度的影响。从冻豆腐的外观看，其外表面和横断面在自然状态 下，均有较大的网状孔眼 。当 E=14kv/m 时，与未加电 场解冻的豆腐的表面孔眼差距不大，但横断面的差距明 显，前者较小。当 E=20kv/m 时，解冻后的豆腐表面一 开始出现明显的差别，其中部有较大的网状孔眼，而两 端却非常细小，横断面的孔眼与 E=14kv/m 时相差不大。 当所加 E=28kv/m 时，豆腐表面和横断面同时显现细孔， 用手指按压能感到豆腐的含水量很高。这一现象与同时 测定的冻豆腐在解冻过程中的失水率有密切的关系。著变化。当电场强度为 5kV/m 时，解冻时间仅仅缩短了1.3%，而当电场强度增大到 22kV/m 时，时间缩短就达到 了 7.4% 。由上述试验结果来看，在现有的试验条件下，电场 强度对冰解冻时间缩短百分率的影响比较显著，而电场 脉冲频率解冻时间缩短百分率影响不显著。2.2.2冻豆腐解冻将冻豆腐分别在脉冲频率 20kHz 及不同电场强度下进行解冻，实验安排见表 5 。将实验结果绘成解冻曲线如表5实验安排表试验材料豆腐电场强度(kV/m)脉冲频率(kHz)0 、14 、20 、28 202.2.3肉糜解冻把本组实验中一次性制备的肉糜每次取 100g 放入实验杯中在脉冲频率为 20kHz ，电场强度分别为 0 、14 、20、25kV/m 下进行解冻，记录解冻过程中肉糜中心的温 度变化，绘成解冻曲线如图 13 。从图 13 曲线可以看出，肉糜的解冻时间随着电场强 度的增大而缩短，从 -5 开始计时，当肉糜解冻 6h 后， 未加电场的肉糜中心温度只有 -1.3，施加电场强度为食品科学基础研究502003, Vol. 24, No. 11个水分子通过氢键结合，得到四面体排列。由于每一个水分子在三维空间具有相等数目的氢键受体和给体，因 此水分子间的吸引力比同样靠氢键结合在一起的其它小分 子要大得多。从宏观来说，纯水是具有一定结构的液体，在液态 水中，水的分子并不是以单个分子形式存在的，而是由 若干个分子靠氢键缔和形成大分子的。水分子的取向和 运动都将受到周围其它水分子的显著影响。而且水分子 的微团结构实质上是一种准稳态结构，其稳定时间只有10-12 s 左右。这种结构始终依靠氢键的分子聚合和解聚的 动态平衡之中，它的排列和运动状态随时发生着变化， 即不断的有水分子加入这个水分子团，又有某些水分子离 开这个水分子团，而水分子团中水分子的个数也只能是个 平均数。所以在外加电场的微能源作用时，这种动态平 衡很容易被打破，使解聚大于聚合，同时也使水分子团 结构以及由此构成的冰层结构随着起关键作用的氢键的崩 溃而发生较大的变化，即冰逐步过渡到水的液体状态。冰的解冻过程也就是水由晶体状态转变成为液态的过 程。当冻结水在高压脉冲电场中解冻时，不单单是温差 造成的能量传递影响着冰水的相变过程，同时高压脉冲 电场提供的这种电场能，使得处于场中的物质的微观分子 或原子、离子等达到了一种类似高能的状态，从而加速 了氢键的崩溃过程。另外，这种电场能随着电场强度、 脉冲频率的的增大而增大，所以冰到水的相变过程将随着 这两种电场参数的增加而加速，这与试验中冰的解冻时间 随电场强度及脉冲频率水平而变化是基本一致的。14kV/m 时肉糜中心温度为 1.8, 施加电场强度为 25kV/m时，肉糜中心温度为 2.6,并且在图示三种解冻条件下肉 糜解冻后汁液流失均不明显。3机理探讨水是大多数食品的主要成分，每种物质的水分含量是不同的，以适当的数量、定域和定向方式存在的水是 生命过程所必不可少的，而且它对食品的结构、外观、 味道以及对变质的敏感性有着很大的影响。因为大多数 新鲜食品都含有大量的水分，所以当采用冻结方法贮藏 食品时，食品内的水分就冻结成冰晶，原来以各种复杂 方式和非水成分相结合的水分就必然被冷冻所扰乱，致 使食品在解冻后，其中的水分不能恢复到原有的状态6。 因此，要探讨高压脉冲电场加速食品解冻和影响解冻后 食品质量的机理就必须对食品中水的存在形态、结合方 式、高压电场对冰 - 水相变过程的影响，高压脉冲电场 下水和冰物理化学性质所发生的变化进行一定的研究。水虽然是极其普通的简单化合物，然而，因为它的 一些特异性质，以及对食品物性的影响，所以近来受到 了科学家的格外关注。水特殊的性质包括：4结 论本试验基于前人对于在高压脉冲电场下冰解冻的试验研究结果，进一步探讨了高压脉冲电场对食品解冻具有一 定的加速作用。 本试验虽然对冰、冻豆腐和肉丁在高压 脉冲电场中的解冻情况进行了一定的研究，但是由于时间 和条件的限制，有许多工作还未充分地展开。一方面， 可以改善实验条件，提高实验的准确度，降低由于实验 条件所造成的实验误差。另一方面，扩大实验范围和实 验量，( 诸如：进一步增高场强或频率，改换一些冻猪肉 等常需冷冻的食品)探索不同食品在高压脉冲电场解冻的规 律及其在电场中解冻后的品质。相信，随着进一步深入 的研究，高压脉冲电场解冻技术将会得到进一步的成熟与 完善，终将会对食品解冻领域产生深远意义等影响。结冰时，体积反而增大。 4 时比重最大。 毛细管中的水或生物体内的水能在 -100不结冻。按照元素周期表推算，水的融点、沸点分别应该为 -91和 -73。而实际上水的融点和沸点比这一推算值分别高出了 91和 173。 以上特殊的物理性质说明水分子之间存在着很强的吸引力，水分子之间存在着更为复杂的结构。据目前的研 究表明，水分子之间之所以存在着很大的吸引力是因为 水分子在三维空间形成了多重氢键键合造成的。水分子中的氧原子的电负性大，O-H 键的共用电子对强烈的偏向 于氧分子一方，使每个氢原子带有部分正电荷且电子屏 蔽最小，表现出裸质子的特征。而氧原子周围则表现出 较强的负电场，当有其它水分子的氢原子靠近时就产生 了氢键结合。因为水分子具有形成氢键结合的两个氢原子和两对孤对电子，所以每个水分子最多能够与另外四参考文献：1刘汉江.傅丽芳.食品工艺学M.北京:中国轻工业出版社,1991.355. 冯志哲,张伟民,沈月新,等.食品冷冻工艺学M.上海:上海 科学技术出版社,1984.32-63.2基础研究食品科学2003, Vol. 24, No. 11513谢晶,华泽钊,李云飞.非热技术在食品解冻中的应用J.制冷学报,1999,(3):36-40.Tatsukiyo Ohtsnk. 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