CN103876241B - 基于脉冲电场和超声波场的液态食品灭菌装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于脉冲电场和超声波场的液态食品灭菌装置。在油槽的底部设有两根平行的滑轨，处理室绝缘支架的下端跨接在两根平行的滑轨两侧，其上端的U形槽中安装有脉冲电场处理室；螺杆穿过处理室绝缘支架，并位于滑轨上方，螺杆的一端与步进电机通过联轴器相连；在脉冲电场处理室两侧的螺杆上对称安装左右旋滑块，左右旋滑块上端向内的侧面分别装有超声波振动子，两超声振动子和脉冲电场处理室的有效区域同轴安装。将液态食品注射入脉冲电场处理室后，调节对射的超声波振动子距离，对液态食品施加超声波场的同时施加脉冲电场。本发明利用超声波场的空化效应，能增强高压脉冲电场对真菌孢子的细胞壁和细胞膜的电穿孔效果，提高灭菌效率。
Description
技术领域
本发明涉及灭菌装置，尤其是涉及一种基于脉冲电场和超声波场液态食品灭菌装置。
背景技术
利用脉冲电场技术对液态食品进行灭菌保鲜被认为是最具潜力的非热加工技术之一，相较于传统灭菌技术，该技术在有效灭菌的同时能大幅减少热量的输入，从而减少由于温度升高而引起的液态食品的营养和风味的损失。虽然脉冲电场技术的灭菌机理还没有得到完全的阐述，但现今比较受认可的是脉冲电穿孔机理，脉冲电场能在瞬间击穿细胞壁，使细胞膜电位混乱，造成细胞新陈代谢紊乱，部分细胞内容物流出。然而现有脉冲电场技术主要应用于对营养细胞的灭菌，其对真菌孢子的灭菌效果并不理想。
利用超声波场对液态食品加工在食品加工领域非常普遍，如超声乳化，超声萃取等，然而单独利用超声波场对液态食品进行灭菌或酶抑制并没有得到广泛应用，这主要是因为单纯的超声波处理对食品的灭菌效率较低。研究表明高密度且频率在18~100 kHz的超声波可在一定范围内对液态食品进行灭菌和酶抑制，特别是联合加热、加压或抗菌剂的协同作用，可大大提高超声波的灭菌效率。虽然超声波灭菌的机理并未得到完全的阐明，但现今被大多数研究者认可的机理是超声波在液体中产生的空化作用能够形成5000 k的局部瞬间高温和1000 atm的高剪切能量波，使细胞的细胞壁和细胞膜产生可逆或不可逆的破坏，从而杀死细胞。
现已有研究利用脉冲电场技术和超声波场技术进行联合灭菌，但大多还停留在先将液态食品用超声波场进行预处理后再用脉冲电场技术处理或相反顺序的分步联合灭菌上，而没有实现脉冲电场与超声波场同时作用于液态食品的灭菌。当采用先超声波预处理再采用脉冲电场处理的方法时，杀菌效果只是单一场灭菌效果线性相加，而没有发挥两个场的协同作用，能耗并没有减少；当采用先脉冲电场处理再进行超声波场处理的方法时，由于脉冲电场击穿细胞膜，使细胞内容物流出使液体黏度增加从而使空化阈变大，使超声波场空化效应减弱。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于脉冲电场和超声波场液态食品灭菌装置，使液态食品同时受到均匀高压脉冲电场和均匀超声波场的作用，增强高压脉冲电场对真菌孢子的细胞壁和细胞膜的电穿孔效果，提高灭菌效率的同时减少液态食品的升温。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
本发明是在油槽的底部设有两根平行的滑轨，处理室绝缘支架的下端跨接在两根平行的滑轨两侧，处理室绝缘支架的上端的U形槽中安装有脉冲电场处理室；平行于两根滑轨的螺杆穿过处理室绝缘支架，螺杆位于两根滑轨上方，螺杆的两端分别与油槽两侧构成转动副，螺杆的一端与安装在油槽外的步进电机通过联轴器相连；在脉冲电场处理室两侧的螺杆上对称安装螺纹旋向相反的左旋滑块和右旋滑块，左旋滑块和右旋滑块上端向内的侧面分别装有第一超声波振动子和第二超声振动子，第一超声波振动子、第二超声振动子和脉冲电场处理室的有效区域同轴安装；油槽侧面上下分别设有出油孔和进油孔。
所述脉冲电场处理室，包括圆盘状的高压电极、圆盘状的接地电极，绝缘隔离环、第一绝缘固定环和第二绝缘固定环；绝缘隔离环的一侧与第一绝缘固定环的一侧嵌入高压电极，绝缘隔离环的另一侧与第二绝缘固定环的一侧嵌入接地电极，绝缘隔离环的径向孔内分别装有排气的顶部塑料单向阀和进样的底部塑料单向阀，所述两电极和绝缘隔离环之间构成有效处理区域。
所述第一超声波振动子和第二超声波振动子为同一型号的喇叭型超声波振动子并与同一超声波发生器相连，所述两超声波振动子大端的直径大于脉冲电场处理室的有效区域的直径。
所述第一超声波振动子大端和第二超声波振动子大端间的距离为(n+1/4) λ，λ为超声波波长，n为0～5的整数。
本发明具有的有益效果是：
当脉冲电场和超声波场同时作用于液态食品时，利用超声波空化效应的局部高温高压和局部湍流，对真菌孢子的细胞壁和细胞膜进行活化，从而使脉冲电场更易穿透真菌孢子的细胞壁和细胞膜，造成细胞生长所需营养物质流出。另一方面脉冲电场的电穿透效果使细胞膜产生瞬态孔隙，超声波的震荡作用使细胞内容物从孔隙流出。解决了单一脉冲电场对真菌孢子灭菌效果不佳,单一超声波场灭菌效率低的问题。同时由于超声波场和脉冲电场对液态食品的热量输入较少，而使液态食品在产生较低温升的情况下杀灭真菌孢子。
附图说明
图1是本发明的三维结构示意图。
图2是图1的A-A方向剖视图。
图3是图2的B-B方向剖视图。
图4是脉冲电场处理室的剖视图。
图中：1、脉冲电场处理室，2、第一超声波振动子，3、左旋滑块，4、油槽，5、进油孔，6、滑轨，7、螺杆，8、处理室绝缘支架，9、步进电机，10、出油孔，11、右旋滑块，12、第二超声波振动子，13、第一绝缘固定环，14、绝缘隔离环，15、顶部塑料单向阀，16、接地电极，17、第二绝缘固定环，18、底部塑料单向阀，19、高压电极，20、有效处理区域。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1，图2，图3所示，在油槽4的底部设有两根平行的滑轨6，处理室绝缘支架8的下端跨接在两根平行的滑轨6两侧，处理室绝缘支架8的上端的U形槽中安装有脉冲电场处理室1；平行于两根滑轨6的螺杆7穿过处理室绝缘支架8，螺杆7位于两根滑轨6上方，螺杆7的两端分别与油槽4两侧构成转动副，螺杆7的一端与安装在油槽4外的步进电机9通过联轴器相连；在脉冲电场处理室1两侧的螺杆7上对称安装螺纹旋向相反的左旋滑块3和右旋滑块11，左旋滑块3和右旋滑块11上端向内的侧面分别装有第一超声波振动子2和第二超声振动子12，第一超声波振动子2、第二超声振动子12和脉冲电场处理室1的有效区域20同轴安装；上述结构都浸没于装有变压器油的油槽中，油槽4侧面上下分别设有出油孔10和进油孔5，并与蠕动泵连接，组成油冷循环系统。
如图4所示，所述脉冲电场处理室1，包括圆盘状的高压电极16、圆盘状的接地电极19、绝缘隔离环14、第一绝缘固定环13和第二绝缘固定环17；绝缘隔离环14的一侧与第一绝缘固定环13的一侧嵌入高压电极16，高压电极16与电压（10～50 kV），脉宽（2～10 μs），频率（100～300 Hz）的脉冲电场发生器连接，绝缘隔离环14的另一侧与第二绝缘固定环17的一侧嵌入接地电极19，所述两绝缘固定环通过四组螺栓螺母紧固件进行固定。绝缘隔离环14的径向孔内分别装有排气的顶部塑料单向阀15和进样的底部塑料单向阀18，在向脉冲电场处理室1填充液态食品时用注射器从底部单向阀18向处理室有效区域20内注射液态食品，处理室内气体由顶部单向阀15排出，直至顶部单向阀15有液体溢出，充满液态食物的脉冲电场处理室1，所述两电极和绝缘隔离环14之间构成有效处理区域20。
如图1，图2所示，所述第一超声波振动子2和第二超声波振动子12为同一型号的喇叭型超声波振动子并与同一超声波发生器相连，所述两超声波振动子大端的直径大于脉冲电场处理室1的有效区域20的直径。
如图1，图2所示，所述第一超声波振动子2大端和第二超声波振动子12大端间的距离为(n+1/4) λ，λ为超声波波长，n为0～5的整数。
本发明的工作原理：
圆盘状的高压电极19和接地电极16可以在有效处理区域20形成均匀的高压脉冲电场，接线柱在圆盘边缘从而减小了其对超声波的干扰，剖面为凸台形的绝缘隔离环14可以防止形成局部的电弧击穿。在向脉冲电场处理室1填充液态食品时用注射器从底部单向阀18向处理室有效区域20内注射液态食品，利用单向阀只允许单一方向的流体通过，使处理室内液体无法从底部流出，气体由顶部单向阀15排出，直至顶部单向阀15有液体溢出，将溢出液体清除，则完成待处理的装填和排除气泡。充满液态食物的脉冲电场处理室1放置于绝缘托架8上，通过电脑控制步进电机9调整第一超声波振动子2和第二超声波振动子12末端间距离为(n+1/4) λ，λ为超声波波长，n为整数。通过对射的声波叠加消除单一超声波振动子与反射波引起的驻波，实现脉冲电场处理室1的均匀超声场。启动蠕动泵并开启进油孔5和出油孔10待变压器油浸没其他结构，变压器油具有良好的绝缘性，热传导性和声传导性，变压器油不仅作为超声波振动子和裸露的两个电极的绝缘物质，还作为超声波传导的耦合剂，也作为冷却液从而控制控制电极和液态食品的温度升高。
将第一超声波振动子2第二超声波振动子12和超声波发生器（功率0~950 W）连接，开启并记录超声波处理时间。将高压电极19和接地电极16分别与高压脉冲发生器的接线端子连接，开启并调节高压脉冲发生器输出脉冲的参数：电压（10～50 kV），脉宽（2～10 μs），频率（100～300 Hz）。其在有效处理区域20形成高强度的均匀脉冲电场（10～50 kV/cm），记录脉冲电场处理时间。处理一段时间后，先关闭脉冲发生器，后关闭超声波发生器，用注射器从顶部单向阀18抽取处理后的液态食品。
当脉冲电场和超声波场同时作用于液态食品时，利用超声波空化效应的局部高温高压和局部湍流，对真菌孢子的细胞壁和细胞膜进行活化，从而使脉冲电场更易穿透真菌孢子的细胞壁和细胞膜，造成细胞生长所需营养物质流出。另一方面脉冲电场的电穿透效果使细胞膜产生瞬态孔隙，超声波的震荡作用使细胞内容物从孔隙流出。解决了单一脉冲电场对真菌孢子灭菌效果不佳,单一超声波场灭菌效率低的问题。同时由于超声波场和脉冲电场对液态食品的热量输入较少，而使液态食品在产生较低温升的情况下杀灭真菌孢子。
实施例：
本发明所涉及的基于脉冲电场和超声波场的液态食品灭菌装置主要参数为：高压电极和接地电极之间的距离为5 mm，有效处理区域半径为25 mm，有效处理容量约为9.8ml。超声波振动子半径为30 mm，超声波超声波发生器功率为0~50 W，频率为20~25 kHz，高压脉冲发生器输出脉冲的电压为10~50 kV，脉宽为2~10 μs，频率为100~300 Hz。现以该装置和方法应用于绍兴黄酒中酿酒酵母菌的灭菌为例，对该装置和方法的实施做进一步阐述：
1、 将经过预处理的含酿酒酵母菌孢子的绍兴黄酒（初始温度20 ℃，电导率0.2 s/m）用注射器从底部单向阀注入，待顶部单向阀有液体溢出，将溢出液体清除后，完成对处理室有效处理区域的填充和排除气泡。将脉冲电场处理室置于处理室绝缘支架上并浸没于油槽变压器油中（初始温度20 ℃，运动黏度50 ℃ ≤9.6×10-6 m2/s），开启油槽蠕动泵。
2、通过步进电机调整两个同轴的超声波振动子末端距离为78.65mm，调整超声波发生器功率至650 W，在有效处理区域内形成相对均匀超声场并持续处理10 s。在两个电极施加峰值电压为30 kV、脉宽为3 μs、频率为120 Hz的脉冲，在有效处理区域内形成相对均匀的电场，其平均电场强度为27.03 kV/cm并持续处理20 μs。通过温度传感器测量黄酒温度变化。
3、使用相同装置进行单一超声波场灭菌10 s和单一脉冲电场灭菌20 μs灭菌试验。采用超声波场和脉冲电场协同灭菌方式灭菌，绍兴黄酒酿酒酵母菌孢子杀菌数达5个对数级，杀菌效率较单一脉冲电场灭菌技术提高20%，且黄酒温升在8 ℃以内。
Claims (4)
1.一种基于脉冲电场和超声波场的液态食品灭菌装置，其特征在于：
在油槽（4）的底部设有两根平行的滑轨（6），处理室绝缘支架（8）的下端跨接在两根平行的滑轨（6）两侧，处理室绝缘支架（8）的上端的U形槽中安装有脉冲电场处理室（1）；平行于两根滑轨（6）的螺杆（7）穿过处理室绝缘支架（8），螺杆（7）位于两根滑轨（6）上方，螺杆（7）的两端分别与油槽（4）两侧构成转动副，螺杆（7）的一端与安装在油槽（4）外的步进电机（9）通过联轴器相连；在脉冲电场处理室（1）两侧的螺杆（7）上对称安装螺纹旋向相反的左旋滑块（3）和右旋滑块（11），左旋滑块（3）和右旋滑块（11）上端向内的侧面分别装有第一超声波振动子（2）和第二超声振动子（12），第一超声波振动子（2）、第二超声振动子（12）和脉冲电场处理室（1）的有效区域（20）同轴安装；油槽（4）侧面上下分别设有出油孔（10）和进油孔（5）。
2.根据权利要求1所述的一种基于脉冲电场和超声波场的液态食品灭菌装置，其特征在于：所述脉冲电场处理室（1），包括圆盘状的高压电极（16）、圆盘状的接地电极（19），绝缘隔离环（14）、第一绝缘固定环（13）和第二绝缘固定环（17）；绝缘隔离环（14）的一侧与第一绝缘固定环（13）的一侧嵌入高压电极（16），绝缘隔离环（14）的另一侧与第二绝缘固定环（17）的一侧嵌入接地电极（19），绝缘隔离环（14）的径向孔内分别装有排气的顶部塑料单向阀（15）和进样的底部塑料单向阀（18），所述高压电极（16）和接地电极（19）与绝缘隔离环（14）之间构成有效处理区域（20）。
3.根据权利要求1所述的一种基于脉冲电场和超声波场的液态食品灭菌装置，其特征在于：所述第一超声波振动子（2）和第二超声波振动子（12）为同一型号的喇叭型超声波振动子并与同一超声波发生器相连，所述第一超声波振动子（2）和第二超声波振动子（12）大端的直径大于脉冲电场处理室（1）的有效区域（20）的直径。
4.根据权利要求1所述的一种基于脉冲电场和超声波场的液态食品灭菌装置，其特征在于：所述第一超声波振动子（2）大端和第二超声波振动子（12）大端间的距离为(n+1/4) λ，λ为超声波波长，n为0～5的整数。
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