CN101455217A - 一种超声强化冷冻面团的设备及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种超声强化冷冻面团的设备和方法。本发明设备包括超声波装置、温度检测装置和冷却循环装置；本发明方法采用乙二醇溶液为冷冻媒质和超声波传播媒质，在面团的浸渍冷冻过程施加超声波作用。设备结构简单，操作和控制简便。应用本发明的设备和方法，面团冷冻过程传热和冰晶成核得到强化，与普通冷冻相比，缩短了面团的冷冻时间，在冷冻面团内部形成的粒度较小、数量较多的冰晶；而且，冷冻后面团的弹性保持良好，冷冻面团的品质得到改善。

Description

一种超声强化冷冻面团的设备及方法

技术领域

本发明涉及一种面团的冷冻设备和方法，具体来说，是一种超声强化冷冻面团的设备和方法。

背景技术

冷冻加工能减缓食品劣变及病原体微生物的生长，降低绝大多数生化反应速度，可以有效保持食品鲜度、营养价值和原有风味，在各种食品加工手段中具有高度的安全性；用冷冻贮藏的方法保藏和运输易腐食品具有重要的意义，又不会使食品受到污染，因此，食品冷冻技术在食品加工中得到广泛应用。然而，由于水在结冰过程体积膨胀的异常性质，食品中水分在冷冻过程形成的较大冰晶对食品组织结构造成一定程度的破坏，导致冷冻食品的品质下降。为了改善冷冻加工对食品品质的影响，人们在设计和评价食品冻结设备和考虑食品冻结生产工艺、冷冻贮藏时，尽量优化食品冻结时间、冻结速度以及冻藏温度的稳定等影响冷冻食品品质的重要因素。

近年来发展起来的食品冷冻新技术新方法有高压食品冷冻技术、冰核细菌和生物冷冻蛋白技术、CAS(细胞存活)冻结装置和冰温技术，本发明涉及的超声强化冷冻技术也是其中之一。功率超声在食品内部溶液中会产生超声空化效应或机械效应，以及一系列次级效应。湍动效应、界面效应和微扰效应等超声空化次级效应对食品冷冻的传热过程有积极影响，能使边界层减薄，接触面积增大，传热阻滞减弱，有利于提高传热速率，强化传热过程。已有研究表明，超声波能促进冰结晶的成核和抑制晶体生长。超声空化效应产生的大量微小气泡在冻结过程中可以作为冰结晶所必需的晶核；超声空化后形成的冲击波和微射流可以破碎已有冰晶，形成分散的细小晶体成为冻结过程的小晶核。

冷冻调理食品具有卫生、食用方便、营养合理、能耗低及减轻家务劳动等优点。面粉是调理食品的主要原料之一，在调理食品中以面团的形式存在。普通的冷冻方式会形成大冰晶破环面筋蛋白网络结构，造成面团质量下降。超声强化冷冻面团可以加速面团的冷冻速率，在面团内部形成较小的冰晶体，改善冷冻面团品质。目前尚未有超声强化冷冻面团的装置及方法

发明内容

本发明目的在于克服现有技术中存在的缺点，提供一种超声强化冷冻面团的设备。

本发明的另一发明目的在于提供一种超声强化冷冻面团的方法。

为达到上述目的，本发明采取了如下技术方案：

一种超声强化冷冻面团的设备，由超声波装置、温度检测装置和冷却循环装置组成，其中，超声波发生器与底部带有超声换能器(11)的超声槽(5)构成超声波装置；镍-铬合金热电偶探头(3)、扫描式热电偶测温仪(4)和计算机(12)构成温度检测装置；管路一(1)、管路二(7)和热交换冷却器(10)组成冷冻循环装置；各部件连接方式是：镍-铬合金热电偶探头(3)置于超声槽(5)中的面团内部，扫描式热电偶测温仪(4)实时监测面团内部温度，并输送到计算机(12)记录；超声波发生器把频率为50Hz的商用电转换为超声频电，经导线(8)输送到超声换能器(11)，超声换能器(11)将电能转化成超声机械能在超声槽(5)内的冷冻媒质中传播；热交换冷却器(10)贮液槽内的冷冻媒质在压力泵作用下，通过管路二(7)从超声槽(5)底部进入超声槽，超声槽(5)内的冷冻媒质经过超声槽(5)的溢流口通过管路一(1)回到热交换冷却器(10)的贮液槽，实现冷冻媒质的循环。

所述的管路二(7)和管路一(1)的外表面包有保温材料，管路一(1)和管路二(7)在靠近超声槽的一端装有球形阀门；超声槽(5)的器壁和热交换冷却器(10)贮液槽的器壁制造成夹层，夹层内部填充保温材料。

一种超声强化冷冻面团的方法，包括以下步骤：

(1)在热交换冷却器(10)的贮液槽和超声槽(5)内注入冷冻媒质，开启热交换冷却器(10)，设定热交换冷却器(10)贮液槽内的冷冻媒质温度为-24～-22℃；

(2)开启管路一(1)、管路二(7)与超声槽(5)间的球形阀门，然后开启冷冻循环装置的压力泵，设定泵的转速为2500～3500r/min；

(3)待超声槽(5)内的冷冻媒质的温度降至-21～-20℃；调节压力泵的流速，使得超声槽(5)内的冷冻媒质的温度维持在-21～-20℃；

(4)将面团成型为圆柱体，用食品用保鲜膜紧贴包裹面团后，将面团置于超声槽(5)内的冷冻媒质中，使得圆柱形面团的下底面离超声槽底面有4～6cm的距离；

(5)在超声槽(5)内的冷冻媒质中放置面团的同时，开启超声波装置，设定超声电功率为224-418W，超声波占空比为1∶1.5～1∶4；

(6)开启温度检测装置，用计算机(12)记录冷冻过程面团的温度变化直至面团中心点温度降至-18～-17℃，冷冻结束。

所述冷冻媒质为40％～60％体积的乙二醇溶液既是面团浸渍冷冻的媒质，也是超声波在超声槽内传播的传声媒质。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

(1)在超声强化冷冻面团的过程中，超声波在面团内部传播时引起的各种效应促进了面团冷冻过程，如超声空化强化食品内部固液界面的冷冻传热过程和食品内部冰晶成核过程，适宜参数的超声波作用能缩短面团的冷冻总时间，强化冷冻效率。

(2)超声波作用通过提高了面团冷冻过程的效率，有利于在面团内部形成数量较多的细小晶核，由于晶核数量增加，在冷冻和冷藏过程中结晶生长形成的晶粒尺寸较小，对面筋网络结构的破坏减少，改善了冷冻面团的品质。

(3)本发明的超声强化冷冻面团装置结构简单，操作和控制简便，效率高。

附图说明

图1为分别经普通冷冻或超声冷冻后，冰晶升华后在冷冻面团内部留下的孔隙的孔径分布曲线；

图2a为经普通冷冻，冰晶升华后冷冻面团断裂面放大倍数100×的扫描电子显微镜照片；

图2b为经超声冷冻，冰晶升华后冷冻面团断裂面放大倍数100×的扫描电子显微镜照片；

图2c为经普通冷冻，冰晶升华后冷冻面团断裂面放大倍数300×的扫描电子显微镜照片；

图2d为经超声冷冻，冰晶升华后冷冻面团断裂面放大倍数300×的扫描电子显微镜照片；

图3为本发明超声强化冷冻面团设备的结构示意图；

图3中：1为管路一，7为管路二；3为镍-铬合金热电偶探头，4为扫描式热电偶测温仪，5为超声槽，8为连接超声发生器和超声换能器的线路，10为热交换冷却器，11为超声换能器，12为计算机。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明做进一步说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

自行设计、委托加工超声波装置，选用的超声波装置的频率为25KHz，换能器数量为10个，最大峰值电功率为600W，超声槽的规格为330×330×230mm，超声设备工作时间和间歇时间在0～999s可调；冷冻循环装置可选用德国Peter Huber公司生产的Ministat CC1型热循环装置，其工作温度范围为-30℃～200℃，泵的流速2000～5000r/min可调；扫描式热电偶测温仪可选用美国Cole-Parmer公司生产的Model 92000-05扫描式温度记录仪，带有镍-铬合金热电偶探头并能将所测温度数据实时传送至连接的计算机；计算机可选用普通的PC机，安装有温度监控软件。

将镍-铬合金热电偶探头3置于超声槽5中的面团内部，Model 92000-05扫描式热电偶测温仪4实时监测面团内部温度，并输送到计算机12记录；超声波发生器把频率为50Hz的商用电转换为超声频电，经导线8输送到超声换能器11，超声换能器11将电能转化成超声机械能在超声槽5内的冷冻媒质中传播；Ministat CC1型热交换器10贮液槽内的冷冻媒质在压力泵作用下，通过管路二7从超声槽5底部泵入超声槽，超声槽5内的冷冻媒质经过超声槽5的溢流口通过管路一1回到热交换器10的贮液槽，实现冷冻媒质的循环。

使用上述超声强化冷冻面团的设备，取面筋含量为13.3％、水分含量为13.2％的面粉，加水至水分含量为67％后，成型为底面直径为76mm，高为140mm的圆柱体面团，应用超声强化冷冻面团。操作条件：面团起始温度23.5℃，冷冻媒质为50％(v/v)的乙二醇溶液，设定冷冻循环装置贮液槽内冷冻媒质温度-24℃，泵转速为2500r/min，控制超声槽内冷冻媒质温度为-20℃，圆柱形面团底面离超声槽底面为6cm，超声电功率分别为0W(即无超声波作用)、224W、288W和360W，占空比(超声工作时间/间歇时间)为1∶1.5，当面团中心温度到达-17℃时，冷冻结束。本实施例在不同电功率的超声波作用下，面团冷冻总时间和冷冻相变阶段时间如表1所示。面团冷冻总时间指的是冷冻过程中，面团中心点温度从23.5℃降至-17℃所需时间；冷冻相变阶段时间指的是冷冻过程中，面团中心点温度在0℃～3℃波动时所经历的时间，在这段时间热量的传递主要用于带走冰结晶放出的潜热。从表1可见，在面团的冷冻过程中，224W、288W和360W的超声波作用能缩短冷冻总时间，288W和360W的超声波作用能缩短冷冻相变阶段时间。

表1

实施例2

使用实施例1的超声强化冷冻面团设备，取面筋含量为13.3％、水分含量为13.2％的面粉，加水至水分含量为67％后，成型为底面直径为20mm，高为40mm的圆柱形面团，应用超声强化冷冻面团。操作条件：面团起始温度23.5℃，冷冻媒质为60％(v/v)的乙二醇溶液，设定冷冻循环装置贮液槽内冷冻媒质温度-22℃，泵转速为3500r/min，控制超声槽内冷冻媒质温度为-21℃，圆柱形面团底面离超声槽底面为5cm，超声电功率分别为0W(即无超声波作用)、224、288W、360W和418W，占空比为1∶2，当面团中心温度到达-18℃时，冷冻结束。本实施例所获得的冷冻面团在温度为30℃，相对湿度为70％的环境下解冻至中心温度为15℃时，制成厚度为1mm的面皮，用TA-XT2型质构分析仪测试面皮的最大穿破力。不同电功率超声波作用后的冷冻面团制得的面皮的最大穿破力如表2所示。最大穿破力反映了面皮弹性的强弱。从表2可见，与未经超声冷冻相比，经超声冷冻后成型的面皮的最大穿破力增大；而且，电功率为288W时，面皮的最大穿破力达到最大值(276g)，而电功率为360W时，面皮的最大穿破力也在一个相对大的值(272g)，因此，经电功率为288W或360W的超声波作用后，超声冷冻面团的弹性保持得最好。

表2

实施例3

使用实施例1的超声强化冷冻面团装置，取面筋含量为13.3％、水分含量为13.2％的面粉，加水至水分含量为67％后，成型为底面直径为20mm，高为40mm的圆柱形面团，应用超声强化冷冻面团。操作条件：面团起始温度23.5℃，冷冻媒质为40％(v/v)的乙二醇溶液，设定冷冻循环装置贮液槽内冷冻媒质温度-23℃，泵转速为3000r/min，控制超声槽内冷冻媒质温度为-20℃，圆柱形面团底面离超声槽底面为4cm，超声电功率为360W，占空比为1∶3，当面团中心温度到达-18℃时，冷冻结束。本实施例所获得的冷冻面团在温度为30℃，相对湿度为70％的环境下解冻至中心温度为15℃时，制成厚度为1mm的面皮，用TA-XT2型质构分析仪测试面皮的最大穿破力。不同占空比超声波作用后的冷冻面团制得的面皮的最大穿破力如表3所示。从表3可以看出，超声波作用能较好地保持面团的弹性，而且超声作用占空比对面皮的最大穿破力的影响较大，占空比为1∶2时，面皮的最大穿破力最大，面团的弹性保持得最好。

表3

实施例4

使用实施例1的超声强化冷冻面团设备，取面筋含量为13.3％、水分含量为13.2％的面粉，加水至水分含量为67％后，成型为底面直径为15mm，高为100mm的圆柱形面团，应用超声强化冷冻面团。操作条件：面团起始温度23.5℃，冷冻媒质为50％(v/v)的乙二醇溶液，设定冷冻循环装置贮液槽内冷冻媒质温度-23℃，泵转速为3000r/min，控制超声槽内冷冻媒质温度为-20℃，圆柱形面团底面离超声槽底面为4cm，超声电功率为360W，占空比为1∶4，当面团中心温度到达-18℃时，冷冻结束。本实施例获得的冷冻面团经液氮低温冷冻，断裂制样，真空干燥后，用压汞仪测量其孔径分布如图1所示。压汞仪分析结果表明，在冰结晶中总体积没有明显改善的情况下，面团经超声处理后粒径在1～4μm范围内的冰晶数量有所降低，而粒径在0.01～1μm范围内的冰晶体增加。本实施例获得的冷冻面团在-18℃下贮藏1个月后，经液氮低温冷冻，断裂制样，真空干燥后，用扫描电子显微镜(SEM)分析其断裂面表面形貌如图2a、图2b、图2c、图2d。SEM照片中冰晶升华留下的不规则孔隙可以反映冷冻过程样品中的冰晶的大小和分布。由图2a、图2b、图2c、图2d可以看出，与普通冷冻面团相比，超声冷冻面团内部颗粒排列紧密，冰晶升华留下的不规则孔隙小而密集，断裂面粗糙度降低，反映出适宜参数的超声强化冷冻在面团内部形成多而小的冰结晶。

Claims (4)

1、一种超声强化冷冻面团的设备，其特征在于包括超声波装置、温度检测装置和冷却循环装置，其中，超声波发生器与底部带有超声换能器(11)的超声槽(5)构成超声波装置；镍-铬合金热电偶探头(3)、扫描式热电偶测温仪(4)和计算机(12)构成温度检测装置；管路一(1)、管路二(7)和热交换冷却器(10)组成冷冻循环装置；各部件连接方式是：镍-铬合金热电偶探头(3)置于超声槽(5)中的面团内部，扫描式热电偶测温仪(4)实时监测面团内部温度，并将数据输送到计算机(12)进行记录；超声波发生器把频率为50Hz的商用电转换为超声频电，经导线(8)输送到超声换能器(11)，超声换能器(11)将电能转化成超声机械能在超声槽(5)内的冷冻媒质中传播；热交换冷却器(10)贮液槽内的冷冻媒质在压力泵作用下，通过管路二(7)从超声槽(5)底部进入超声槽，超声槽(5)内的冷冻媒质经过超声槽(5)的溢流口通过管路一(1)回到热交换冷却器(10)的贮液槽，实现冷冻媒质的循环。

2、根据权利要求1所述的一种超声强化冷冻面团的设备，其特征在于所述的管路二(7)和管路一(1)的外表面包有保温材料，管路一(1)和管路二(7)在靠近超声槽的一端装有球形阀门；超声槽(5)的器壁和热交换冷却器(10)贮液槽的器壁制造成夹层，夹层内部填充保温材料。

3、一种超声强化冷冻面团的方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)在热交换冷却器(10)的贮液槽和超声槽(5)内注入冷冻媒质，开启热交换冷却器(10)，设定热交换冷却器(10)贮液槽内的冷冻媒质温度为-24～-22℃；

(2)开启管路一(1)、管路二(7)与超声槽(5)间的球形阀门，然后开启冷冻循环装置的压力泵，设定泵的转速为2500～3500r/min；

(3)待超声槽(5)内的冷冻媒质的温度降至-21～-20℃；调节压力泵的流速，使得超声槽(5)内的冷冻媒质的温度维持在-21～-20℃；

(4)将面团成型为圆柱体，食品用保鲜膜紧贴包裹面团后，将面团置于超声槽(5)内的冷冻媒质中，使得圆柱形面团的下底面离超声槽底面有4～6cm的距离；

(5)在超声槽(5)内的冷冻媒质中放置面团的同时，开启超声波装置，设定超声电功率为224-418W，超声波占空比为1∶1.5～1∶4；

(6)开启温度检测装置，用计算机(12)记录冷冻过程面团的温度变化直至面团中心点温度降至-18～-17℃，冷冻结束。

4、根据权利3所述的一种超声强化冷冻面团的方法，其特征在于所述冷冻媒质为40％～60％体积的乙二醇溶液。

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