一種基於函數信號控制的強電解質離子電流的食品浸漬加工方法
2023-06-14 22:55:16 2
一種基於函數信號控制的強電解質離子電流的食品浸漬加工方法
【專利摘要】一種基於函數信號控制的強電解質離子電流的食品浸漬加工方法，屬於運用電磁學的食品加工【技術領域】。組成單元有（A）驅動單元：任意函數信號發生器、功率放大器；（B）感應單元：環形矽鋼鐵芯、矽膠管繞組、銅線圈繞組；（C）浸漬單元：浸漬槽、真空泵。通過函數信號發生器生成特定的周期函數信號，經功率放大器放大後，激勵一端的銅線圈繞組，並在環形矽鋼鐵芯中產生變化的磁通，引發在另一端充滿強電解質溶液的矽膠管繞組中產生感應電動勢。在感應電動勢驅動下，溶液迴路體系中的正負離子定向移動，完成對食品的浸漬處理，浸漬液需為強電解質的離子化合物類。本發明避免了電化學反應帶來的浸漬液電解和極板腐蝕結垢問題，原理區別於電解、電泳、電滲析和電鍍技術。
【專利說明】—種基於函數信號控制的強電解質離子電流的食品浸漬加工方法
【技術領域】
[0001]一種基於函數信號控制的強電解質離子電流的食品浸潰加工方法，本發明涉及一種新型食品浸潰加工方法，適用於強電解質類的浸潰液，屬於運用電磁學的食品加工【技術領域】。本發明與真空浸潰技術相比，可在更短的時間內完成對食品原料的浸潰處理。可完成溼法鹽潰、著色處理和微量礦物質元素的加強。
【背景技術】
[0002]中國傳統的浸潰食品加工方法包括五大類，即鹽潰、醋潰、糟潰、醬潰和糖潰。浸潰食品種類繁多，其中廣為人知的產品有各類泡菜、醬菜、酸泡薑片、調味香瓜子、鹽水蛋、泡椒鳳爪與豬皮、醉蟹等，它們都受到人們的青睞。浸潰處理的目的是將浸潰溶液中的各類溶質離子和分子如氫、鈉、鉀、鈣、鐵、硒、氯離子和蔗糖、醇類小分子滲透到食品組織空隙以及細胞中，同時由於滲透壓差而除去食品中的部分水分，產生良好的風味。此過程中，浸潰液中溶質擴散速率受到組織細胞內外各種物質的分壓力差、浸潰溫度、環境壓力和食品原料空隙率的影響。浸潰食品中特別是溼法醃製的水產品，因為溶質擴散速率慢而長時浸潰會造成變質，所以一般多在5°C的冷藏環境中醃潰，不可避免的因時間長而造成可溶性蛋白、維生素、礦物質和色素的流失。為加快食品的浸潰處理，通常只有通過提高浸潰溫度、提高溶質濃度和改變環境大氣壓力來進行。但因為高溫會引起浸潰食品的發酵和酸敗，故提高溫度來加快浸潰處理的方式，在工業上鮮有採用。提高浸潰液溶質濃度則會形成「高鹽」產品，而必須增加後期脫鹽工藝操作。目前成熟應用的且能加快食品浸潰處理的技術只有真空浸潰技術(Vacuum Impregnation簡稱VI),核心原理是利用壓差引起的流體動力學機理和變形鬆弛現象來提高醃潰效率。食品組織細胞內存在孔隙，真空下在物料內部形成低壓氣泡，同時也造成細胞間距增大而物料膨脹，在細胞內外壓差和毛細管效應下外部液體更容易滲入。通常在數十分鐘內完成食品的浸潰處理，與常壓浸潰所需的幾天或幾十天時間相比已大大縮短了加工時間，故能廣泛應用。
[0003]電流的導體分為兩大類，第一類是金屬導體，電流形式為電子電流，第二類是電解質溶液或熔融電解質。電解質可分為強電解質和弱電解質，強電解質在溶液中能完全電離，多為離子化合物和大部分鹽類，而弱電解質電離不完全，多為共價化合物。電解質溶液的導電能力與電離度、濃度、溫度都有相關性，電流形式為離子電流。電解質溶液中由於含有大量的帶正負離子，在有電勢差的環境中會發生定向遷移，根據這一原理的技術應用包括電解、電鍍、電泳和電滲析。它們都是通過在電極間產生電勢差而造成離子定向移動，其中電解、電鍍、電滲析的處理對象多為電解質中的正負離子，其分子量小；而電泳則針對溶液中一些表面帶有大量正負電子的蛋白質大分子類進行處理。
[0004]感應離子電流即在充滿電解質的螺線管路中弓I入變化的磁通量使其生產感應電動勢作為「源動力」來驅動溶液迴路體系中的離子移動。溶液迴路體系中根據其線圈的磁通量變化率不同而具有不同規律的感應電動勢產生，進而具有不同的驅動效果。這是因為根據電場中帶電尚子的運動，推動帶電尚子運動的力(F)等於尚子所帶淨電荷量(Q)與電場強度(X)的乘積，即F = QX。由於磁通變化率不同，則產生的交變感應電動勢在正負方向的峰值不同，即離子在不同方向受到的電場力大小和持續時間不同。而離子的前移同樣要受到阻力(/)的影響，對於一個類似球形的離子，服從斯託克斯定律，即:/=6 π r η V(r為離子質點半徑，Π為溶液介質粘滯係數，V為離子移動速度)，當達到平衡時，帶電離子勻速運動，即F= f。
【發明內容】
[0005]本發明目的是提供一種基於函數信號控制的強電解質離子電流的食品浸潰加工方法，涉及一種新型食品浸潰加工方法，原理是通過函數信號發生器生成特定的周期信號波形，經過功率放大器將信號電流放大並激勵互感矽鋼鐵芯一端的線圈繞組，變化的磁通在另一端充滿強電解質溶液的螺旋矽膠管繞組管路中產生相應變化規律的感應電動勢作為「源動力」來驅動導通迴路中的離子並形成定向遷移。由於感應電動勢變化規律不同，離子受到「正向」和「負向」的電場力大小和持續時間有異，進而使離子具有不同的步進效果。根據溶液體系的離子特性，選擇適當的函數波形來達到最佳的浸潰效果。技術原理如圖1所示，波形示例如圖2。
[0006]本發明的技術方案:一種基於函數信號控制的強電解質離子電流的食品浸潰加工方法，本發明裝置的組成單元有(A)驅動單元:包括任意函數信號發生器(I)、功率放大器
(2);任意函數信號發生器(I)和功率放大器(2)相連接；(B)感應單元:包括環形矽鋼鐵芯
(3)、矽膠管繞組(4)、銅線圈繞組(5);環形矽鋼鐵芯(3)的一端繞銅線圈繞組(5)，環形矽鋼鐵芯(3)的另一端繞矽膠管繞組(4);銅線圈繞組(5)和功率放大器(2)相連接；矽膠管繞組(4)兩端分別與浸潰槽(6)兩端的導通口相連接，使強電解質溶液形成閉合迴路；(C)浸潰單元:包括浸潰槽(6)、真 空泵(7)，真空泵(7)與浸潰槽(6)相接通；
通過函數發生器生成特定規律的周期信號，經過功率放大器將信號電壓放大並激勵環形矽鋼鐵芯一端的銅線圈繞組，其中放大電壓信號失真率=0.1%，周期規律變化的磁通使環形矽鋼鐵芯另一端充滿強電解質溶液的螺旋矽膠管繞組中產生相應規律變化的感應電動勢作為「源動力」來驅動浸潰液體系中的離子發生定向遷移；根據溶液體系的離子特性，選擇適合的周期函數波形來達到最佳的浸潰效果；當周期函數波形發出時，此時強電解質浸潰液電導率需在2(T60mS/cm範圍，則變化的磁通可在浸潰槽兩端生成500mV~1.8V的交變感應電動勢，當食材厚度在3cm以內時均可在5min內完成浸潰，即食材內外環境中浸潰液溶質的體積濃度基本一致。
[0007]驅動單元中的函數信號發生器生成頻率IHflOOHz的任意自定義波形信號，I個周期內信號具有I個上升沿，2個下降沿，上升沿的斜率大於下降沿的斜率，幅寬範圍IOVpp(±5V)之內，輸出阻抗50 Ω，使用的功率放大器兼容任意函數波形的放大，全功率頻率範圍IHz~100Hz，輸出電壓幅寬300Vpp ( 土 150V)，輸出電流(T40mA，輸入阻抗50 Ω，激勵在矩形矽鋼鐵芯一側的線圈繞組。
[0008]感應單元中的環形矽鋼鐵芯為矽鋼矩形鐵芯，銅線圈繞組為單層繞線，銅線直徑範圍0.6^0.8mm,匝數為12(Tl50匝，與功率放大器連接。
[0009]充滿強電解質浸潰液的矽膠管繞組其材料為絕緣性好、柔韌性佳、無毒無味的食品級鉬金矽膠管，內徑範圍I飛mm，管壁厚度3mm，繞組為單層繞線其匝數範圍為10~20圈，矽膠管兩端與分別與浸潰槽兩側的導通口相接並連通，使浸潰液呈循環的迴路體系，當特定規律變化的磁通產生時，浸潰液電導率在2(T60mS/cm時，可在浸潰槽兩端生成500mV~1.8V特定規律變化的感應電動勢，可對浸潰液中的不同離子產生定向驅動效果，從而完成對食品的浸潰處理。感應電動勢可通過在浸潰槽兩端插入鉬片電極並由交流伏特表檢得，鉬片電極尺寸5mmX 5mmX 0.15mm。
[0010]浸潰單元中玻璃浸潰槽為圓柱形結構內徑80mm，長度300mm，壁厚3mm，上方留有可抽真空的閥門和可以進樣或取樣的密封蓋，浸潰槽兩側的中間部位有導通口，可與矽膠管連接，使其整個浸潰液體系成循環迴路，由真空泵控制浸潰液體系的循環。
[0011]然後由函數信號發生器生成頻率在IHflOOHz的特定波形周期函數信號，I個周期內信號具有I個上升沿，2個下降沿，上升沿的斜率大於下降沿的斜率，其幅寬範圍在IOVpp (±5￥)，輸出阻抗50 0，信號通過全功率頻率範圍在IHz~100Hz，輸出電壓幅寬在300Vpp (±150V)，輸出電流在(T40mA，輸入阻抗50Ω的功率放大器並將電壓信號放大，激勵在矩形矽鋼鐵芯一側的線圈繞組，線圈繞組為單層繞線，銅線直徑範圍為0.6^0.8mm,匝數在120-150圈。於是在充滿強電解質浸潰溶液的矽膠管繞組中會有規律變化的磁通產生，其中矽膠管材料為絕緣性好、柔韌性佳、無毒無味的食品級鉬金矽膠管，內徑範圍f 5mm，管壁厚度3mm，繞組為單層繞線其匝數範圍為10-20圈。當特定規律變化的磁通產生時，浸潰液電導率在2(T60mS/cm時，可在浸潰槽兩端生成500mV~1.8V特定規律變化的感應電動勢，可對浸潰液中的不同離子產生定向驅動效果，從而完成對食品的浸潰處理。感應電動勢可通過在浸潰槽2端插入鉬片電極並由交流伏特表檢得，鉬片電極尺寸5mmX 5mmX 0.15mm。
[0012]本發明的有益效果:可快速的完成對食材的浸潰加工，浸潰液需屬於強電解質的離子化合物類。對於需要通過溼法鹽潰、著色和礦物質營養元素強化處理的食材，當厚度在3cm以內時均可在5min內完成浸潰,即穩定後食材內外環境溶質的體積濃度基本一致。浸潰處理時，溶液濃度在0.01%~6%以及電導率在2(T60mS/cm範圍適宜。離子濃度大，則感應離子電流密度過高，使溶液迴路體系生產對流或湍流，則不利於離子浸潰。由於電解質離子的定向遷移驅動力來源於感應電動勢`而非直接插入的通電極板，因此本發明避免了由於電化學反應帶來的浸潰液電解和極板腐蝕結垢問題，原理完全區別於目前的電解、電泳、電滲析和電鍍技術。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0013]圖1 一種基於函數信號控制的強電解質離子電流的食品浸潰技術原理示意圖。1、任意函數信號發生器，2、功率放大器，3、環形矽鋼鐵芯，4、矽膠管繞組，5、銅線圈繞組，6、浸潰槽，7、真空泵。
[0014]圖2磁通變化與感應電動勢示例圖。
[0015]圖3鹽潰青梅的函數信號波形圖。
[0016]圖4感應離子電流處理5min後青梅內部組織微觀鹽分觀察。
[0017]圖5鈣鹽浸潰蘋果的函數信號波形圖。
[0018]圖6感應離子電流處理5min後蘋果內部組織微觀鈣鹽布觀察。[0019]圖7瓜子著色浸潰的函數信號波形圖。
【具體實施方式】
[0020]實施例1鹽潰青梅
稱取青梅300克，洗淨後置於浸潰槽中，槽的腔體尺寸為內徑80mm，長度300mm，壁厚3mm。注入質量分數5%濃度的氯化鈉醃潰液直到浸沒樣品，此時採用梅特勒-託利多FE30電導率儀測得醃潰溶液電導率為55mS/cm。浸潰槽密封后開啟真空泵抽真空直到溶液充滿矽膠管路，體系中的浸潰溶液成迴路狀態。其中矽膠管材料為絕緣性好、柔韌性佳、無毒無味的食品級鉬金矽膠管，內徑2_，管壁厚度3_，矽膠管纏繞在矩形矽鋼鐵芯一端上，矽膠管繞組為單層繞線，匝數範圍為20圈。此後由普源DG1022型函數信號發生器生成特定波形的周期函數信號，I個周期內信號具有I個上升沿，2個下降沿，上升沿的斜率大於下降沿的斜率，波形圖如圖 3 所不，周期 750ms, t0=Os, t^lOOms, t2=250ms, t3=400ms, t4=500ms,t5=650ms, t6=750ms, Y,=2.5V，V2=5V，其波形幅寬VPP=5V，電壓信號再通過美國TEGAM牌型號為2350的功率放大器放大10倍，以此激勵在矩形矽鋼鐵芯另一端的線圈繞組，線圈繞組為單層繞線，銅線直徑0.8mm，匝數140圈，此時體系的感應電動勢為1.2V。啟動5min後取出青梅，即達到浸潰要求，此時青梅含鹽量為4.6%，而未處理前的青梅含鹽量為0.2%。
[0021]鹽潰效果的微觀檢測，採用掃描電子顯微鏡觀察青梅內部靠近果核部位的組織中的鹽分分布情況，如圖4所示，可以看出5min處理後青梅內部組織已含有明顯鹽分。檢測方法:取靠近果核部位的青梅肉，切成4_ X 1.5mm X 5mm的矩形塊狀,直接置於液氮中冷凍(-210°C) 5min，取出後將其脆斷，在凍幹機的_45°C冷阱、真空度12Pa環境下迅速脫水30min。乾燥的樣品表面噴金,於荷蘭Quanta 200掃描電子顯微鏡下觀察,如圖4所不。
[0022]實施例2蘋果的鈣元素營養強化 蘋果洗淨削皮，切成3 X 3 X 3cm塊狀，稱取400g，置於浸潰槽中，浸潰槽腔體尺寸為內徑80mm,長度300mm,壁厚3mm,注入質量分數1000mg/kg的食品級乳酸鈣溶液浸沒樣品,此時採用梅特勒-託利多FE30電導率儀測得醃潰溶液電導率為22mS/cm，密封后開啟真空泵抽真空直到溶液充滿矽膠管路，體系中的溶液成迴路狀態，其中矽膠管材料為絕緣性好、柔韌性佳、無毒無味的食品級鉬金矽膠管，內徑範圍4_，管壁厚度3_，矽膠管纏繞在矩形矽鋼互感鐵芯一端，矽膠管繞組為單層繞線，匝數為15圈。由普源DG1022型函數信號發生器生成特定波形的周期函數信號，I個周期內信號具有I個上升沿，2個下降沿，上升沿的斜率大於下降沿的斜率，波形圖如圖5所示，周期540ms, t0=0s, t^SOms, t2=100ms, t3=220ms,t4=300ms, t5=420ms, t6=540ms, V1=4V，V2=8V，其波形幅寬 Vpp=8V，電壓信號經美國 TEGAM 牌的型號為2350的功率放大器放大10倍後，激勵在矩型鐵芯另一端的線圈繞組，線圈繞組為單層繞線，銅線直徑0.8mm，匝數在150圈，此時溶液體系的感應電動勢為800mV。保持5min後取出，蘋果塊即達到浸潰要求，此時蘋果肉中的含鈣量0.lmg/g,而未處理前的含鈣量 0.003mg/g。
[0023]鈣元素浸潰效果的微觀檢測，採用掃描電子顯微鏡觀察蘋果肉內部組織中的鈣鹽分布情況，如圖6所示，可以看出5min處理後蘋果內部組織已含有明顯鈣鹽。檢測方法:取蘋果內部果肉組織，切成4mm X 1.5mm X 5mm的矩形塊狀,直接置於液氮中冷凍(_210°C )5min，取出後將其脆斷，在凍幹機的_45°C冷阱、真空度12Pa環境下迅速脫水30min。乾燥的樣品表面噴金，於荷蘭Quanta 200掃描電子顯微鏡下觀察,如圖6所不。
[0024]實施例3:瓜子著色
米用合成色素覓菜紅，分子式C2tlH11OltlN2S3Na3,水溶性色素。本例為植物纖維表面穩定上色。葵花籽稱取500克，置於浸潰槽中，浸潰槽腔體尺寸為內徑80mm，長度300mm，壁厚3mm，注入濃度40mg/kg的莧菜紅浸潰液直到浸沒樣品，此時採用梅特勒-託利多FE30電導率儀測得醃潰溶液電導率為20mS/cm。密封后開啟真空泵抽真空直到溶液充滿矽膠管路，體系中的溶液成迴路狀態，其中矽膠管材料為絕緣性好、柔韌性佳、無毒無味的食品級鉬金矽膠管，內徑範圍5_，管壁厚度3_，矽膠管纏繞在矩形矽鋼鐵芯一端，矽膠管繞組為單層繞線，匝數為20圈。由普源DG1022型函數信號發生器生成特定波形的周期函數信號，I個周期內信號具有I個上升沿，2個下降沿，上升沿的斜率大於下降沿的斜率，波形圖如圖7所不，周期 440ms, t0=Os, t^SOms, t2=120ms, t3=240ms, t4=280ms, t5=400ms, t6=440ms, V1=SV,V2=IOV,其波形幅寬Vpp=IOV,電壓信號經美國TEGAM牌的型號為2350的功率放大器放大10倍後，激勵在矩型矽鋼鐵芯另一端的線圈繞組，銅製繞組為單層繞線，銅線直徑0.8_，匝數在140圈，此時溶液體系的感應電動勢為900mV。保持5min後取出，通過感觀評價並與常壓浸泡同樣時間的瓜子相比，該法處理的瓜子色澤穩定，衝洗後色澤不褪。按照《食品添加劑手冊(第三版)》凌關庭主編的關於色素物質總含量測定方法0T-15分析，處理後的瓜子殼中覓菜紅含量18mg/kg,而常壓浸泡處理5min的瓜子殼中覓菜紅含量為5mg/k g。
【權利要求】
1.一種基於函數信號控制的強電解質離子電流的食品浸潰加工方法，其特徵在於裝置的組成單元有(A)驅動單元:包括任意函數信號發生器(I)、功率放大器(2);任意函數信號發生器(I)和功率放大器(2)相連接；(B)感應單元:包括環形矽鋼鐵芯(3)、矽膠管繞組(4)、銅線圈繞組(5);環形矽鋼鐵芯(3)的一端繞銅線圈繞組(5)，環形矽鋼鐵芯(3 )的另一端繞矽膠管繞組(4);銅線圈繞組(5)和功率放大器(2)相連接；矽膠管繞組(4)兩端分別與浸潰槽(6)兩端的導通口相連接，使強電解質溶液形成閉合迴路；(C)浸潰單元:包括浸潰槽(6)、真空泵(7)，真空泵(7)與浸潰槽(6)相接通； 通過函數發生器生成特定規律的周期信號，經過功率放大器將信號電壓放大並激勵環形矽鋼鐵芯一端的銅線圈繞組，其中放大電壓信號失真率=0.1%，周期規律變化的磁通使環形矽鋼鐵芯另一端充滿強電解質溶液的螺旋矽膠管繞組中產生相應規律變化的感應電動勢作為「源動力」來驅動浸潰液體系中的離子發生定向遷移；根據溶液體系的離子特性，選擇適合的周期函數波形來達到最佳的浸潰效果；當周期函數波形發出時，此時強電解質浸潰液電導率需在2(T60mS/cm範圍，則變化的磁通可在浸潰槽兩端生成500mV~1.8V的交變感應電動勢，當食材厚度在3cm以內時均可在5min內完成浸潰，即食材內外環境中浸潰液溶質的體積濃度基本一致。
2.根據權利要求1所述的基於函數信號控制的強電解質離子電流的食品浸潰加工方法，其特徵在於，驅動單元中的函數信號發生器可生成頻率IHflOOHz的任意自定義波形，I個周期內信號具有I個上升沿，2個下降沿，上升沿的斜率大於下降沿的斜率，幅寬範圍IOVpp之內，+ 5V~一 5 V，輸出阻抗50 Ω，使用的功率放大器兼容任意函數波形的放大，全功率頻率範圍IHz~100Hz，輸出電壓幅寬300Vpp，+ 150V~一 150V，輸出電流(T40mA，輸入阻抗50 Ω。
3.根據權利要求1所述的基於函數信號控制的強電解質離子電流的食品浸潰加工方法，其特徵在於，感應單元中的環形矽鋼鐵芯為矽鋼矩形鐵芯，銅線圈繞組為單層繞線，銅線直徑範圍0.6^0.8mm,匝數為12(Tl50匝，與功率放大器連接。`
4.根據權利要求1所述的基於函數信號控制的強電解質離子電流的食品浸潰加工方法，其特徵在於，充滿強電解質浸潰液的矽膠管繞組其材料為絕緣性好、柔韌性佳、無毒無味的食品級鉬金矽膠管，內徑範圍廣5mm，管壁厚度3mm，繞組為單層繞線其匝數範圍為10-20圈，矽膠管兩端與分別與浸潰槽兩側的導通口相接並連通，使浸潰液呈循環的迴路體系O
5.根據權利要求1所述的基於函數信號控制的強電解質離子電流的食品浸潰加工方法，其特徵在於，浸潰單元中玻璃浸潰槽為圓柱形結構內徑80mm，長度300mm，壁厚3mm，上方留有可抽真空的閥門和可以進樣或取樣的密封蓋，浸潰槽兩側的中間部位有導通口，可與矽膠管連接，使其整個浸潰液體系成循環迴路，由真空泵控制浸潰液體系的循環。
【文檔編號】A23P1/00GK103504454SQ201310411500
【公開日】2014年1月15日 申請日期:2013年9月11日 優先權日:2013年9月11日
【發明者】楊哪, 徐學明, 金亞美, 吳鳳鳳, 周星, 金徵宇, 段翔, 陳海英 申請人:江南大學