CN107965960A - 基于多磁极可控的周期性变化磁场辅助冷冻装置及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于多磁极可控的周期性变化磁场辅助冷冻装置及应用。所述基于多磁极可控的周期性变化磁场辅助冷冻装置包括：冷冻单元，其包括用于容置冷冻样品的冷冻区；周期性磁场发生单元，包括复数个电磁铁模块，所述复数个电磁铁模块用以产生复数个方向和/或强度可变的交变磁场，并且所述的复数个交变磁场至少在所述冷冻区内交集，其中每一电磁铁模块包括一铁磁体及环绕所述铁磁体设置的励磁线圈。本发明提供的装置可以通过对电磁铁的极性和励磁强度进行程序化调节，在样品冷冻区中产生大小，分布和方向都实时变化的磁场，以便诱导有机体在冷冻过程中出现细小冰晶，避免细胞在解冻时由大冰晶造成的破坏，解冻后的样品汁液不流失且品质佳。
Description
技术领域
本发明特别涉及一种基于多磁极可控的周期性变化磁场辅助冷冻装置及应用，属于食品、水产品、农产品和医疗样品的冷冻保藏及其解冻品质科学研究技术领域。
背景技术
各类食品、水产品、面制品、果蔬和农产品的冷冻保鲜是通过低温抑制其样品内部的呼吸作用，并减弱其新陈代谢及酶的活性，同时控制微生物的生长和繁殖来实现对样品的保藏。样品在冰箱或冷库中进行常规冷冻时，系统的制冷效率相对较低时，样品在“最大冰晶生成带”滞留时间过长，有机体细胞外的溶液首先形成冰晶，同时在蒸汽压作用下细胞内的水分向细胞外迁徙，这时形成较大的冰晶且分布不均匀，导致冰晶过大刺破细胞膜和细胞壁，甚至破坏样品组织结构，解冻后细胞不能恢复到原有状况且样品水分流失大，解冻后的样品品质严重下降。
磁场对冷冻过程中冰晶的形成有较大的影响且已有研究报道。例如，研究发现磁场可造成某些电解质溶液的冰晶体表面更光滑，并且具有一定的透明度。在不同的磁场，比如旋转磁场、脉冲磁场、交变磁场的作用下，低频交变磁场对NaCl溶液冷冻结晶的影响最大，该磁场对其溶液相变过程中的冰晶形成具有明显的抑制作用。此外，利用日本ABI公司开发的磁场辅助冷冻技术系统CAS(Cell Alive System)，可在0.01mT弱磁场下对浓度10％硫酸二甲酷溶液中的牙周初带细胞进行高品质低温冷冻，与不加磁场的冻结样品相比，解冻后其细胞组织存活率更高。
常规的磁场辅助冷冻技术大多采用永磁体的静磁场、电磁铁或亥姆霍兹线圈的一维交变磁场进行辅助冷冻，技术参数和冷冻区中的磁场分布形式单一，不能进行周期性多分布磁场对样品冷冻保藏特性和解冻品质的研究
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种基于多磁极可控的周期性变化磁场辅助冷冻装置及应用，以克服现有技术的不足。
为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：
本发明实施例一方面提供了一种基于多磁极可控的周期性变化磁场辅助冷冻装置，其包括：
冷冻单元，其包括用于容置冷冻样品的冷冻区；
周期性磁场发生单元，包括复数个电磁铁模块，所述复数个电磁铁模块用以产生复数个方向和/或强度可变的交变磁场，并且所述的复数个交变磁场至少在所述冷冻区内交集，其中每一电磁铁模块包括一铁磁体及环绕所述铁磁体设置的励磁线圈。
进一步的，所述复数个电磁铁模块环绕所述冷冻区设置，且每一电磁铁模块以其一个磁极指向所述冷冻区。
更进一步的，其中一个电磁铁模块的一个磁极指向所述冷冻区，并与另一个电磁铁模块的一个磁极相对设置。
进一步的，其中一个电磁铁模块的轴线与另一个电磁铁模块的轴线相互垂直。
进一步的，各电磁铁模块中的励磁线圈均与程控电源电连接。
更进一步的，所述程控电源至少用于使每一电磁铁模块产生的交变磁场强度和/或交变磁场方向发生周期性变化，所述变化周期为0-10s。
优选的，所述冷冻区的温度为﹣80℃～室温。
进一步的，所述冷冻单元还包括环绕冷却区设置的夹套层，所述夹套层内腔与制冷介质流通管路连通。
优选的，所述冷冻单元还包括超低温恒温循环槽，所述超低温恒温循环槽内容置有制冷介质，所述超低温恒温循环槽与所述制冷介质流通管路连通。
本发明实施例还提供了所述的基于多磁极可控的周期性变化磁场辅助冷冻装置于水产品、果蔬制品、冷鲜肉制品、主食面制品或者医疗及生物样品领域的应用。
与现有技术相比，本发明的优点包括：本发明提供的基于多磁极可控的周期性变化磁场辅助冷冻装置，它可以通过对系统中4个电磁铁的极性和励磁强度进行程序化调节，以便在样品冷冻区中产生大小，分布和方向都实时变化的磁场，以便诱导有机体包括各类食品、水产品、果蔬、农产品和医疗样本在冷冻过程中出现细小冰晶，避免细胞在解冻时由大冰晶造成的破坏，解冻后的样品汁液不流失且品质佳；该实验装置有助于对各类水产品、果蔬制品、冷鲜肉制品、主食面制品、医疗及生物样品在不同磁场分布下的冻结保藏特性及解冻后的品质进行研究。
附图说明
图1是本发明一典型实施案例中一种基于多磁极可控的周期性变化磁场辅助冷冻装置的结构示意图；
附图标记说明：101-四极电磁铁系统；102-程控电流源；103-超低温恒温循环槽；104-样品腔。
具体实施方式
鉴于现有技术中的不足，本案发明人经长期研究和大量实践，得以提出本发明的技术方案。如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。
本发明实施例一方面提供了一种基于多磁极可控的周期性变化磁场辅助冷冻装置，其包括：
冷冻单元，其包括用于容置冷冻样品的冷冻区；
周期性磁场发生单元，包括复数个电磁铁模块，所述复数个电磁铁模块用以产生复数个方向和/或强度可变的交变磁场，并且所述的复数个交变磁场至少在所述冷冻区内交集，其中每一电磁铁模块包括一铁磁体及环绕所述铁磁体设置的励磁线圈。
进一步的，所述复数个电磁铁模块环绕所述冷冻区设置，且每一电磁铁模块以其一个磁极指向所述冷冻区。
更进一步的，其中一个电磁铁模块的一个磁极指向所述冷冻区，并与另一个电磁铁模块的一个磁极相对设置。
进一步的，其中一个电磁铁模块的轴线与另一个电磁铁模块的轴线相互垂直。
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更进一步的，所述程控电源至少用于使每一电磁铁模块产生的交变磁场强度和/或交变磁场方向发生周期性变化，所述变化周期为0-10s。
优选的，所述冷冻区的温度为﹣80℃～室温。
进一步的，所述冷冻单元还包括环绕冷却区设置的夹套层，所述夹套层内腔与制冷介质流通管路连通。
优选的，所述冷冻单元还包括超低温恒温循环槽，所述超低温恒温循环槽内容置有制冷介质，所述超低温恒温循环槽与所述制冷介质流通管路连通。
本发明实施例还提供了所述的基于多磁极可控的周期性变化磁场辅助冷冻装置于水产品、果蔬制品、冷鲜肉制品、主食面制品或者医疗及生物样品领域的应用。
在一些较为具体的实施方案中，基于多磁极可控的周期性变化磁场辅助冷冻装置包括：四极电磁铁系统，程控电流源，超低温恒温循环槽，样品腔。四极电磁铁系统中的2对电磁铁为相互垂直的布局结构，并与程控电流源相连接，同时4个电磁铁的极性和励磁强度可通过程控电流源进行程序化的调节，4个电磁铁标记为1，2，3，4，靠近冷冻区的电磁铁磁极表面磁场大小定为Bi，其中i＝1,2,3,4，则四极电磁铁系统中的实时磁场Bt(n)可表示为：
Bt(n)＝[±B1,±B2,±B3,±B4]
其中，“-”代表北极，“+”代表南极，冷冻区中周期性磁场BT则表示为：
其中，周期性磁场的每个周期为T，T＝(T1-0)+(T2-T1)+(T3-T2)+···+(Tn-1-Tn-2)+(Tn-Tn-1)。
进一步，当每对电磁铁的极性相异时，在中心区域最大可生产出强度为8000Gs的恒稳磁场，此时的励磁强度最大且每个电磁铁磁极表面处的磁场强度为1T，样品放置于2对电磁铁中心位置处的样品腔中并在冷冻时受到磁场的作用，其中样品腔含有一个夹套层，用于循环超低温恒温循环槽中的制冷溶液，使得样品腔中的温度恒定且能在﹣80℃～室温范围进行调节。该技术生产的4极磁场在样品冷冻时会发生周期性的变化，周期为0-10s，导致冷冻区的磁场发生大小和方向上的实时改变，以便诱导有机体包括各类食品、水产品、果蔬、农产品和医疗样本在冷冻过程中出现细小冰晶，避免细胞在解冻时由大冰晶造成的破坏，解冻后的样品汁液不流失且品质佳。该实验装置可用于研究各类有机样品在不同磁场分布下的冻结保藏特性及解冻后的品质变化。
如下将结合具体实施例对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。
实施例1桃子的周期性磁场辅助冷冻研究
实验装置包括：四极电磁铁系统101，程控电流源102，超低温恒温循环槽103，样品腔 104(以下实施例中采用样品腔提供冷冻区，下同)。四极电磁铁系统中的2对电磁铁为相互垂直的结构，并与程控电流源相连接，同时4个电磁铁的极性和励磁强度可通过程控电流源进行程序化的调节，当每对电磁铁的极性相异时，在中心区域可产生出最大强度为8000Gs的恒稳磁场，此时励磁强度最大且每个电磁铁磁极表面的磁场强度为1T，样品放置于2对电磁铁中心位置处的样品腔中并在冷冻时受到磁场的作用，其中样品腔含有一个夹套层，用于循环超低温恒温循环槽中的制冷溶液，使得样品腔中的温度恒定在﹣40℃范围，样品腔的容积为1.8L。
取一个质量为178g的新鲜桃子，在室温25℃时，放入样品腔中，设置四极电磁铁系统中的实时磁场Bt1，Bt2，Bt3，Bt4和周期性磁场BT表示如下：
其中周期性磁场的T＝4s。
开启系统并在该周期性磁场下冷冻7d，然后取出，在常温25℃下进行自然解冻3h，,测试其失水率，并与未施加周期性磁场的对照样进行比较。结果发现：经周期性磁场辅助冷冻的桃子和不施加该磁场冷冻的桃子在解冻后的样品失水率分别为6.65％和28.94％。
实施例2猪肉的周期性磁场辅助冷冻研究
实验装置包括：四极电磁铁系统101，程控电流源102，超低温恒温循环槽103，样品腔 104。四极电磁铁系统中的2对电磁铁为相互垂直的结构，并与程控电流源相连接，同时4个电磁铁的极性和励磁强度可通过程控电流源进行程序化的调节，且当每对电磁铁的极性相异时，在中心区域可产生出最大强度为8000Gs的恒稳磁场，此时的励磁强度最大且每个电磁铁磁极处的表面磁场强度为1T，样品放置于2对电磁铁中心位置处的样品腔中并使其在冷冻时受到磁场的作用，其中样品腔含有一个夹套层，用于循环超低温恒温循环槽中的制冷溶液，使得样品腔中的温度恒定在﹣37℃，样品腔的容积为1.2L。
取一块质量为105g的无骨新鲜猪肉，在室温25℃时，放入样品腔中，设置四极电磁铁系统中的实时磁场Bt1，Bt2，Bt3和周期性磁场BT为：
其中周期性磁场的T＝1.5s。
开启系统并冷冻保存12d，然后取出，在常温25℃下进行自然解冻6h，测试其失水率，并与未施加周期性磁场的对照样进行比较。结果发现：经周期性磁场辅助冷冻的猪肉和不施加该磁场冷冻的猪肉在解冻后的样品失水率分别为3.57％和21.23％。
实施例3汤圆的周期性磁场辅助冷冻研究
实验装置包括：四极电磁铁系统101，程控电流源102，超低温恒温循环槽103，样品腔 104。四极电磁铁系统中的2对电磁铁为相互垂直的结构，并与程控电流源相连接，同时4个电磁铁的极性和励磁强度可通过程控电流源进行程序化的调节，且当每对电磁铁的极性相异时，在中心区域可产生出最大强度为8000Gs的恒稳磁场，此时励磁强度最大且每个电磁铁磁极表面处的磁场强度为1T，样品放置于2对电磁铁中心位置处的样品腔中并在冷冻时受到磁场的作用，其中样品腔含有一个夹套层，用于循环超低温恒温循环槽中的制冷溶液，使得样品腔中的温度恒定在﹣60℃，样品腔的容积为1.3L。
取8个质量为28g的包心汤圆，外皮厚度2mm，于室温25℃时，放入样品腔中，设置四极电磁铁系统中的实时磁场Bt1，Bt2，Bt3，Bt4和周期性磁场BT为：
其中周期性磁场的T＝400ms。
开启系统并冷冻保存48d，然后取出，在常温25℃下进行自然解冻5h，测试样品失水率并观察其坍陷程度，并与未施加周期性磁场的对照样进行比较。结果发现：经周期性磁场辅助冷冻的汤圆和不施加该磁场冷冻的汤圆在解冻后的样品失水率分别为1.23％和4.28％，并且不施加该磁场冷冻的汤圆在解冻后显著的表皮塌陷。
对比例1桃子的一维变化磁场辅助冷冻研究
实验装置包括：四极电磁铁系统101，程控电流源102，超低温恒温循环槽103，样品腔 104。四极电磁铁系统中的2对电磁铁为相互垂直的结构，并与程控电流源相连接，同时4个电磁铁的极性和励磁强度可通过程控电流源进行程序化的调节，当每对电磁铁的极性相异时，在中心区域可产生出最大强度为8000Gs的恒稳磁场，此时励磁强度最大且每个电磁铁磁极表面的磁场强度为1T，样品放置于2对电磁铁中心位置处的样品腔中并在冷冻时受到磁场的作用，其中样品腔含有一个夹套层，用于循环超低温恒温循环槽中的制冷溶液，使得样品腔中的温度恒定在﹣40℃范围，样品腔的容积为1.8L。
取一个质量为178g的新鲜桃子，在室温25℃时，放入样品腔中，设置四极电磁铁系统中的实时磁场Bt1，Bt2和一维变化磁场BT表示如下：
,2s-4s Bt2＝[-4000Gs,0,+4000Gs,0]
其中一维变化磁场的T＝4s。
开启系统并在该一维变化磁场下冷冻7d，然后取出，在常温25℃下进行自然解冻3h，测试其失水率，并与未施加一维变化磁场的对照样进行比较。结果发现：经一维变化磁场辅助冷冻的桃子和不施加该磁场冷冻的桃子在解冻后的样品失水率分别为20.31％和27.24％。因此
对比例2猪肉的一维变化磁场辅助冷冻研究
实验装置包括：四极电磁铁系统101，程控电流源102，超低温恒温循环槽103，样品腔 104。四极电磁铁系统中的2对电磁铁为相互垂直的结构，并与程控电流源相连接，同时4个电磁铁的极性和励磁强度可通过程控电流源进行程序化的调节，且当每对电磁铁的极性相异时，在中心区域可产生出最大强度为8000Gs的恒稳磁场，此时的励磁强度最大且每个电磁铁磁极处的表面磁场强度为1T，样品放置于2对电磁铁中心位置处的样品腔中并使其在冷冻时受到磁场的作用，其中样品腔含有一个夹套层，用于循环超低温恒温循环槽中的制冷溶液，使得样品腔中的温度恒定在﹣37℃，样品腔的容积为1.2L。
取一块质量为105g的无骨新鲜猪肉，在室温25℃时，放入样品腔中，设置四极电磁铁系统中的实时磁场Bt1，Bt2和一维变化磁场BT为：
其中一维变化磁场的T＝1.5s。
开启系统并在该一维变化磁场下冷冻保存12d，然后取出，在常温25℃下进行自然解冻 6h，测试其失水率，并与未施加一维变化磁场的对照样进行比较。结果发现：经一维变化磁场辅助冷冻的猪肉和不施加该磁场冷冻的猪肉在解冻后的样品失水率分别为14.42％和20.73％。
对比例3汤圆的一维变化磁场辅助冷冻研究
实验装置包括：四极电磁铁系统101，程控电流源102，超低温恒温循环槽103，样品腔104。四极电磁铁系统中的2对电磁铁为相互垂直的结构，并与程控电流源相连接，同时4个电磁铁的极性和励磁强度可通过程控电流源进行程序化的调节，且当每对电磁铁的极性相异时，在中心区域可产生出最大强度为8000Gs的恒稳磁场，此时励磁强度最大且每个电磁铁磁极表面处的磁场强度为1T，样品放置于2对电磁铁中心位置处的样品腔中并在冷冻时受到磁场的作用，其中样品腔含有一个夹套层，用于循环超低温恒温循环槽中的制冷溶液，使得样品腔中的温度恒定在﹣60℃，样品腔的容积为1.3L。
取8个质量为28g的包心汤圆，外皮厚度2mm，于室温25℃时，放入样品腔中，设置四极电磁铁系统中的实时磁场Bt1，Bt2和一维变化磁场BT为：
其中一维变化磁场的T＝400ms。
开启系统并在该一维变化磁场下冷冻保存48d，然后取出，在常温25℃下进行自然解冻 5h，测试样品失水率并观察其坍陷程度，并与未施加一维变化磁场的对照样进行比较。结果发现：经一维变化磁场辅助冷冻的汤圆和不施加该磁场冷冻的汤圆在解冻后的样品失水率分别为 3.15％和4.67％，并且两者在解冻后均出现明显的表皮塌陷。
本发明提供的基于多磁极可控的周期性变化磁场辅助冷冻装置，它可以通过对系统中4个电磁铁的极性和励磁强度进行程序化调节，以便在样品冷冻区中产生大小，分布和方向都实时变化的磁场，有助于对各类水产品、果蔬制品、冷鲜肉制品、主食面制品、医疗及生物样品在不同磁场分布下的冻结保藏特性及解冻后的品质进行研究。
应当理解，上述实施例仅为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
advanced
Claims (10)
1.一种基于多磁极可控的周期性变化磁场辅助冷冻装置，其特征在于包括：
冷冻单元，其包括用于容置冷冻样品的冷冻区；
周期性磁场发生单元，包括复数个电磁铁模块，所述复数个电磁铁模块用以产生复数个方向和/或强度可变的交变磁场，并且所述的复数个交变磁场至少在所述冷冻区内交集，其中每一电磁铁模块包括一铁磁体及环绕所述铁磁体设置的励磁线圈。
2.根据权利要求1所述的基于多磁极可控的周期性变化磁场辅助冷冻装置，其特征在于：所述复数个电磁铁模块环绕所述冷冻区设置，且每一电磁铁模块以其一个磁极指向所述冷冻区。
3.根据权利要求2所述的基于多磁极可控的周期性变化磁场辅助冷冻装置，其特征在于：其中一个电磁铁模块的一个磁极指向所述冷冻区，并与另一个电磁铁模块的一个磁极相对设置。
4.根据权利要求2所述的基于多磁极可控的周期性变化磁场辅助冷冻装置，其特征在于：其中一个电磁铁模块的轴线与另一个电磁铁模块的轴线相互垂直。
5.根据权利要求1所述的基于多磁极可控的周期性变化磁场辅助冷冻装置，其特征在于：各电磁铁模块中的励磁线圈均与程控电源电连接。
6.根据权利要求5所述的基于多磁极可控的周期性变化磁场辅助冷冻装置，其特征在于：所述程控电源至少用于使每一电磁铁模块产生的交变磁场强度和/或交变磁场方向发生周期性变化，所述变化周期为0-10s。
7.根据权利要求1所述的基于多磁极可控的周期性变化磁场辅助冷冻装置，其特征在于：所述冷冻区的温度为﹣80℃～室温。
8.根据权利要求1所述的基于多磁极可控的周期性变化磁场辅助冷冻装置，其特征在于：所述冷冻单元还包括环绕冷却区设置的夹套层，所述夹套层内腔与制冷介质流通管路连通。
9.根据权利要求8所述的基于多磁极可控的周期性变化磁场辅助冷冻装置，其特征在于：所述冷冻单元还包括超低温恒温循环槽，所述超低温恒温循环槽内容置有制冷介质，所述超低温恒温循环槽与所述制冷介质流通管路连通。
10.如权利要求1-9中所述的基于多磁极可控的周期性变化磁场辅助冷冻装置于水产品、果蔬制品、冷鲜肉制品、主食面制品或者医疗及生物样品领域的应用。
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