CN108050764A - 以食品气味变化判断冻结点的方法、控制器和制冷设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及制冷控制领域，特别涉及以食品气味变化判断冻结点的方法、控制器和制冷设备。本发明利用食品在不同温度下的所挥发出来的气味分子含量判断食品是否进入冻结状态。将食品气味分子含量百分比与温度控制结合控制食品温度一直处于合理范围。若食品进入冻结状态，可立即进入回温模式阻止食品内部水继续形成冰晶的过程使食品不冻结，当食品温度达到某一值时立刻降温，重复多次，食品温度大部分时间或一直保持在0℃～冻结点温度，而冻结点温度处于‑10～0℃，合理控制食品温度达到不冻结且新鲜的临界状态，保证食品不冻新鲜，延长保鲜周期。

Description

以食品气味变化判断冻结点的方法、控制器和制冷设备

技术领域

本发明涉及制冷控制领域，特别是涉及以食品气味变化判断冻结点的方法、控制器和制冷设备。

背景技术

为了延长食品保质期，冷冻技术一直是最常见有效的方法，如 -18℃冻肉储存，一般能存放6～12个月，但是存在一个最严重的问题就是解冻不便，而且解冻后的食品品质和口感明显下降。

目前主要是靠获取食品温度值来判断食品是否进入冻结状态，获取温度的方法主要有：

1、非接触式温度传感器，如红外传感器：精度1℃的红外传感器无法获取食品的准确温度值，从而无法准确判断食品是否进入冻结状态；而精度0.1℃的红外传感器则价格昂贵(上千元)可应用性差。

2、接触式温度传感器，如探针式温度传感器，由于其直接插入食品内部，破坏了食品结构，存在卫生方面风险，可操作性差，不被大部分用户接受。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的目的是提供基于食品气味变化判断冻结点的方法、控制器及制冷设备，解决食品进入冻结状态的时间点不容易控制，食品易发生冻结；且发生冻结后，解冻不便，食品品质下降的问题。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供一种基于食品气味变化判断冻结点的方法，其包括：

第一检测步骤，检测食品的初始气味分子含量S0；

降温步骤，在环境温度为第一预设值的情况下进行食品降温；

第二检测步骤，在降温过程中，按照第一预设方式检测食品的实时气味分子含量S，并得出气味分子含量百分比P，P＝S/S0×100％；

第一判断步骤，当气味分子含量百分比P满足：P≤P0时，则停止降温；

升温步骤，将环境温度更新至第二预设值，进行升温；

第三检测步骤，在升温过程中，按照第二预设方式检测食品的实时气味分子含量S，并得出气味分子含量百分比P；

第二判断步骤：当气味分子含量百分比P满足：P≥P1时，则停止升温，并返回所述降温步骤。

在一些实施例中，优选为，所述P0的取值范围为0％～60％，和/ 或，所述P1的取值范围为95％以上。

在一些实施例中，优选为，所述第一预设值小于冻结点温度；所述第二预设值大于冻结点温度。

在一些实施例中，优选为，所述冻结点温度的范围为-10℃～0℃。

在一些实施例中，优选为，所述第一预设方式包括：间隔第一设定时间检测一次；所述第二预设方式包括：间隔第二设定时间检测一次；所述第一设定时间等于所述第二设定时间，取值范围为0～600分钟。

在一些实施例中，优选为，环境温度检测装置包括：有线传感器、红外传感器、或无线传感器。

在一些实施例中，优选为，气味分子含量检测装置包括：半导体气体传感器、电化学气体传感器、催化燃烧式气体传感器、热导式气体传感器、红外线气体传感器、或固体电解质气体传感器。

本发明还提供了一种执行所述的基于食品气味变化判断冻结点的方法的控制器，其包括：计算模块、设置模块、比较模块、判断模块；其中，

所述设置模块，用于根据制冷设备的降温阶段或升温阶段设置环境温度；

所述计算模块，用于根据监测的食品的实时气味分子含量S，计算气味分子含量百分比P；

所述比较模块，用于根据气味分子含量百分比P与存储的比较值 P0或P1进行比较；

所述判断模块，根据比较结果判断升温或降温。

本发明还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现所述方法的步骤。

本发明还提供了一种制冷设备，其包括主体结构、控制器、一个以上的环境温度检测装置和一个以上的气味分子含量检测装置；所述环境温度检测装置、所述气味分子含量检测装置均与所述控制器连接。

在一些实施例中，优选为，所述环境温度检测装置包括：有线传感器、红外传感器、或无线传感器。

在一些实施例中，优选为，所述气味分子含量检测装置包括：半导体气体传感器、电化学气体传感器、催化燃烧式气体传感器、热导式气体传感器、红外线气体传感器、或固体电解质气体传感器。

(三)有益效果

本发明提供的技术方案利用食品在不同温度下所挥发出来的气味分子含量不同而判断食品是否进入冻结状态。检测食品的气味分子含量，将气味分子含量百分比与温度控制结合控制食品温度一直处于合理范围。若食品进入冻结状态，可立即进入回温模式阻止食品内部水继续形成冰晶的过程使食品不冻结，当食品温度达到某一值时立刻降温，如此重复多次，食品温度大部分时间或一直保持在0℃～冻结点温度，而冻结点温度处于-10～0℃。利用气味分子含量百分比与食品温度达到冻结点以下时挥发性气味分子含量百分比P0，或食品温度达到冻结点T0+△t时挥发性气味分子含量百分比P1进行比较，有效判断食品的冻结点，合理控制食品温度达到不冻结且新鲜的临界状态，保证食品不冻新鲜，有效延长保鲜周期，保持食品营养美味。

附图说明

图1为本发明一个实施例中基于食品气味变化判断冻结点的方法流程示意图；

图2为本发明应用到肉类时基于食品气味变化判断冻结点的方法流程示意图；

图3为无过冷状态下食品正常冻结曲线；

图4为无过冷状态下食品不冻保鲜曲线；

图5为人的嗅觉形成过程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。“第一”“第二”“第三”“第四”不代表任何的序列关系，仅是为了方便描述进行的区分。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。“当前”在执行某动作之时的时刻，文中出现多个当前，均为随时间流逝中实时记录。

基于食品进入冻结状态的时间点不容易控制，食品易发生冻结；且发生冻结后，解冻不便，食品品质下降的问题，本发明给出了基于食品气味变化判断冻结点的方法、控制器和制冷设备。

下面将通过基础设计、扩展设计及替换设计对产品、方法等进行详细描述。

在本技术中以食品气味分子含量百分比来判断冻结点。食品冻结是指将食品中大部分水转化为冰的过程，由于食品中的水分分为结合水和自由水，而结合水与蛋白质、碳水化合物等胶体物质结合在一起，因此，在冻结过程中结合水不会转变成冰结晶，为不冻结水。同时，食品中的自由水并非纯水，而是溶有溶质的稀溶液，由于稀溶液中溶质的作用造成溶液的蒸汽压下降，使得食品开始结冰的冰点温度比水的冰点0℃要低，根据拉乌尔定律第二法则，溶液冰点降低与溶质浓度成正比，每增加1mol浓度冰点下降1.86℃。

食品中开始出现冰晶的温度称为食品的冻结点，由于食品的种类、死后环境条件和肌浆浓度等不同，各种食品的冻结点也是不同的 (如表1所示)。

表1几种常见食品的冻结点和含水率

图3示出了食品正常冻结曲线，图4给出了无过冷状态下食品不冻保鲜的曲线。正常的食品冻结过程主要分为三个阶段：1、冷却阶段：食品温度快速下降至0℃以下，冻结点以上；2、最大冰晶生成阶段：从冻结点到-5℃，食品中约70％～80％的水形成冰的过程；3、速冻过程：从-5℃至-18℃以下，食品中剩余的水快速形成冰的过程。

从热力学角度来看，食品冷冻过程其实质是，食品物料中的水分从液态变为固态的冰晶的相变过程。

食品在冻结过程中，食品温度从常温20～30℃降低到-18℃以下，随着温度越来越低，食品中可挥发性气味成分含量则越来越少，因此，可根据食品中气味分子含量变化率来判断食品是否进入冻结状态。

此外，食品在冷冻后品质下降的主要原因，普遍认为是由于冰晶膨胀压对食品组织结构的破坏造成的。因此，控制食品冷冻过程中的冰结晶体的成核和生长过程有助于获得改善食品品质。

基于上述理论分析和研究，发明人提出基于食品气味变化判断冻结点的方法：

如图1所示，该方法主要包括：

第一检测步骤，检测刚放入食品的初始气味分子含量S0；

降温步骤，在环境温度为第一预设值的情况下进行食品降温；

第二检测步骤，在降温过程中，按照第一预设方式检测食品的实时气味分子含量S，并得出气味分子含量百分比P，P＝S/S0×100％；

第一判断步骤，当气味分子含量百分比P满足：P≤P0时，则停止降温；

升温步骤，将环境温度更新至第二预设值，进行升温；

第三检测步骤，在升温过程中，按照第二预设方式检测食品的实时气味分子含量S，并得出气味分子含量百分比P；

第二判断步骤：当气味分子含量百分比P满足：P≥P1时，则停止升温，并返回所述降温步骤。

当食品放入制冷设备(比如冰箱)中，立即利用气味分子含量无损检测装置(即气味分子含量检测装置)检测食品未冻结时初始挥发性气味分子含量S0，此阶段环境温度为第一预设值，较低，可设定为T1，小于或等于冻结点温度。在该环境温度下进行降温，将食品温度降至较低的温度T0，该温度处于冻结点附近，降温的目的是将食品的温度下降到冻结点以下，促使微生物等无法进行生命活动、生物化学反应速度也随之减慢，有利于延长食品的保鲜期。此处温度

T0是以气味分子含量百分比P≥P0来判定的，P＝S/S0×100％，P0 是食品温度达到冻结点以下时挥发性气味分子含量百分比。

气味分子含量百分比P≥P0的比较和判定主要在第二检测步骤中。食品由于不断吸收冷量，其中的水分逐渐形成冰晶体并逐步冻结，随着冻结时间延长，冰晶量逐渐增多，小冰晶聚集成大冰晶，开始破坏食品的细胞组织，导致食品的汁液和营养流失，直接影响食品入口的味道和口感。因此，准确判断食品温度进入冻结点时间点，控制冰晶的形成过程至关重要。

为了检测该冻结状态的来临，需要在降温过程中每隔t1时间(0～ 600min)测量一次食品的实时气味分子含量S，并计算此时挥发性气味分子含量百分比P，若P＞P0(食品温度达到冻结点以下时，挥发性气味分子含量与初始挥发性气味分子含量的比值，一般取值范围为 0％～60％)，说明此时食品中大部分水处于未冻结的状态，则需要继续降温，环境温度继续设置为T1(低于食品冻结点的温度)；若P≤P0，为了不让食品继续吸收冷量而发生冻结，必须要马上停止降温过程，则停止降温阶段。

停止降温后，食品会进行升温，在该升温中可以维持或提高环境温度以防止食品发生冻结。自然回温或环境温度设置为高于食品冻结点的第二预设值T2(不宜过高，否则会缩短食品保鲜期，大于冻结点温度)，升温过程中每隔t2时间(0～600min)测量一次挥发性实时气味分子含量S，并计算挥发性气味分子含量百分比P；当检测到挥发性气味分子含量百分比≥P1(食品温度达到冻结点T0+Δt时，挥发性气味分子含量百分比P与初始挥发性气味分子含量的比值，Δt 可在0～10℃范围内取值；P1理论上应该为100％，但由于测量误差的存在，可设定5％的测量偏差，取值范围为95％以上)时，返回降温的步骤。以此重复降温过程和升温过程，反复循环，保持食品温度一直处于冻结点附近，延长食品保鲜期。

冻结点温度的范围为-10℃～0℃。

在一些实施例中，第一设定时间t1和第二设定时间t2可相等。

基于上述的各种方案，本技术可以在某一特定空间内实现对存放食品独立控温，此间室需要具有1个或多个环境温度检测装置，1个或多个食品中气味分子含量检测装置。其中环境温度检测装置包括接触式温度设备和非接触式温度设备，如有线传感器、红外传感器、或无线传感器。气味分子含量检测装置(食品气味无损检测装置)主要是通过气味传感器来检测分析计算得出气味分子的具体数值，包括但不限于半导体气体传感器、电化学气体传感器、催化燃烧式气体传感器、热导式气体传感器、红外线气体传感器、固体电解质气体传感器等，这些检测装置都不会对食品产生破坏，属于无损检测。

所谓气味：气味＝气+味。气就是气体，挥发物，它是一种物质，通常是小分子，所以容易变成气体。味是感官感知，如图5所示，详细说明人的嗅觉形成过程。

人的嗅觉系统由嗅觉细胞、嗅觉神经网络和大脑组成。嗅感是挥发性物质释放出气体进入鼻腔，被嗅觉小胞中的嗅细胞吸附到表面上，呈负电性的嗅细胞表面的部分电荷发生改变，产生电流，使神经末梢接受刺激而兴奋，最后，兴奋信号传到大脑的嗅区皮层产生嗅感。所以，气味不是指一种物质，而是物质之间相互作用的过程。

气味传感器的原理就是建立在模拟人的嗅觉形成过程基础上的，气味传感器对气味的分析识别过程可分为3个过程:

过程一，体传感器阵列吸附气味分子并产生信号。

过程二，对生成的信号进行加工处理和传输。

过程三，对处理后的信号进行模式识别并作出判断。

气味传感器用于探测在一定区域范围内是否存在特定气体和或能连续测量气体成分浓度。因其检测快速、准确的优点，在食品、医疗卫生、化工、公共安全等领域有着广泛的应用。下面列举在食品领域的应用：

(1)肉制品：Musatov等用基于金属氧化物传感器电子鼻和线性判别式分析法(LDA)对肉类的新鲜度进行了检测，结果表明，基于金属氧化物传感器的电子鼻可以用来对食品的新鲜度进行检测，且准确率较高。

(2)果蔬：对果蔬成熟度进行检测可以有效地防止腐烂的发生。 Hui Guohua等研制了基于金属氧化物传感器的电子鼻并对富士苹果的库存时间进行检测并建立了预测模型，发现基于信噪比(SNR)的自适应算法可以成功区分未熟、半数和成熟的苹果。

每种食品都具有其特有的气味特征，一般来说，蔬菜和水果都会有一股香味(与果蔬的成熟度相关)，其主要成分经研究人员检测得出为乙醇、乙酸、乙酸苯乙酯、异戊醇、乙酸乙酯等。生鲜肉和水产品则散发一种肉腥味，因动物的种类、性别、饲料等对肉的气味有很大影响。如羊肉有膻味(来源于挥发性低级脂肪酸，如4一甲基辛酸、癸酸等，存在于脂肪中)狗肉有腥味等。这些肉腥味经研究人员检测得出主要为甲硫醇、三甲胺、丙醇、二甲胺、乙酸、二甲基二硫、丁酸、异戊酸、2-甲基丁酸、4-甲基戊酸、二甲基三硫、苯酚、4-甲基苯酚、吲哚等。

一般来说气味的浓度和温度的高低成正比例关系，由于气味分子在空气中的传播是一种扩散现象；温度越高，分子的平均动能越大，运动平均速率大，故传播得快，挥发出来的气味分子越多则气味浓度越大；反之，温度越低，分子的平均动能越小，运动平均速率小，故传播得慢，挥发出来的气味分子越少则气味浓度越小。

本方法利用无损气味分子检测装置检测食品的挥发性气味分子含量，在降温过程中不断计算食品中挥发性气味分子含量变化百分比，同时将食品温度降至冻结点附近；其次，利用食品中挥发性气味分子含量百分比判断食品是否进入冻结状态；再次，停止降温或小幅度升温过程阻止食品中水分继续形成冰晶，保持食品处于不冻结的状态，如此重复多次，食品温度大部分时间或一直保持在0℃～冻结点温度(-10℃～0℃)，有效延长食品保鲜周期。

接下来，以冰箱中肉类保鲜为例，对食品不冻长鲜控制规则进行说明：使用温度控制和食品气味分子无损检测装置(或称气味分子含量检测装置)来实现食品不冻长鲜功能。

冰箱有一个独立控温间室用于肉类保鲜，此间室具有1个环境温度检测传感器(记为1#传感器)和1个肉类气味分子(无损)检测装置。

由上可知，P0的取值范围为0％～60％；P1的取值范围为≥95％。

下面以包括1个传感器和1个无损颜色检测装置的联合控制为实施例介绍具体的控制过程：

如图2所示，T1＝-18℃，T2＝0℃，t1＝t2＝5min，P0＝20％，P1＝95％。

首先，冰箱通电后，在间室内放入肉类，1#传感器按设定-18℃降温，同时，利用气味分子无损检测肉类初始气味分子含量S0，降温过程中每隔5min测量一次食品中挥发性气味分子含量S，并计算挥发性气味分子含量百分比P，若P＞20％,，说明此时食品中大部分水处于未冻结的状态，则需要继续降温，环境温度继续设置为-18℃；若P≤20％，则停止降温阶段。此时肉已进入冻结状态，需要立即进入升温模式，即1#传感器按设定0℃控制温度，保证肉类不冻结；进入升温阶段后，气味分子无损检测装置需要每隔5min检测一次食品中挥发性气味分子含量S，并计算食品中挥发性气味分子含量百分比 P，直到计算的P值≥95％，此时肉类温度为高于冻结点Δt℃，此时需要再次进入降温阶段，反复循环保证肉类处于新鲜不冻结状态。

另外，升温的控制方式不局限于温度设定值的调整，也可以通过自然回温和加热的方式来回温。

此种控制方法利用食品中挥发性气味分子含量变化来判断食品冻结点与温度控制方法有效结合，可实现肉类一直处于一个低温环境条件，且不会发生冻结而导致营养流失，显著延长肉类保鲜期，营养美味。

本发明还提供了一种执行上述基于食品气味变化判断冻结点的方法的控制器，其包括：计算模块、设置模块、比较模块、判断模块；其中，设置模块，用于根据制冷设备的降温阶段或升温阶段设置环境温度；计算模块，用于根据监测的食品的实时气味分子含量S，计算气味分子含量百分比P；比较模块，用于根据气味分子含量百分比P 与存储的比较值P0或P1进行比较；判断模块，根据比较结果判断升温或降温。

其中计算模块、设置模块、比较模块、判断模块可以拆分或合并，在控制器硬件或处理程序中依从设计需要而设置。

本发明还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述控制方法的步骤。

本发明还提供了一种制冷设备，其包括主体结构、控制器、一个以上的环境温度检测装置和一个以上的气味分子含量检测装置；环境温度检测装置、气味分子含量检测装置均与控制器连接。

在某一特定空间内可实现对存放食品独立控温，在制冷设备上设置1个或多个环境温度检测装置，内部设置1个或多个食品气味分子无损检测装置。温度检测装置包括接触式温度设备和非接触式温度设备，如有线传感器、红外传感器和无线传感器等；气味分子含量检测装置包括但不局限于半导体气体传感器、电化学气体传感器、催化燃烧式气体传感器、热导式气体传感器、红外线气体传感器、或固体电解质气体传感器等，这些检测装置都不会对食品产生破坏，属于无损检测。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于食品气味变化判断冻结点的方法，其特征在于，包括：

第一检测步骤，检测食品的初始气味分子含量S0；

降温步骤，在环境温度为第一预设值的情况下进行食品降温；

第二检测步骤，在降温过程中，按照第一预设方式检测食品的实时气味分子含量S，并得出气味分子含量百分比P，P＝S/S0×100％；

第一判断步骤，当气味分子含量百分比P满足：P≤P0时，则停止降温；

升温步骤，将环境温度更新至第二预设值，进行升温；

第三检测步骤，在升温过程中，按照第二预设方式检测食品的实时气味分子含量S，并得出气味分子含量百分比P；

第二判断步骤：当气味分子含量百分比P满足：P≥P1时，则停止升温，并返回所述降温步骤。

2.如权利要求1所述的基于食品气味变化判断冻结点的方法，其特征在于，所述P0的取值范围为0％～60％，和/或，所述P1的取值范围为95％以上。

3.如权利要求1所述的基于食品气味变化判断冻结点的方法，其特征在于，所述第一预设值小于冻结点温度；所述第二预设值大于冻结点温度。

4.如权利要求3所述的基于食品气味变化判断冻结点的方法，其特征在于，所述冻结点温度的范围为-10℃～0℃。

5.如权利要求1所述的基于食品气味变化判断冻结点的方法，其特征在于，

所述第一预设方式包括：间隔第一设定时间检测一次；

所述第二预设方式包括：间隔第二设定时间检测一次；

所述第一设定时间等于所述第二设定时间，取值范围为0～600分钟。

6.如权利要求1-5任一项所述的基于食品气味变化判断冻结点的方法，其特征在于，环境温度检测装置包括：有线传感器、红外传感器、或无线传感器；和/或，气味分子含量检测装置包括：半导体气体传感器、电化学气体传感器、催化燃烧式气体传感器、热导式气体传感器、红外线气体传感器、或固体电解质气体传感器。

7.一种执行权利要求1-6任一项所述的基于食品气味变化判断冻结点的方法的控制器，其特征在于，包括：计算模块、设置模块、比较模块、判断模块；其中，

所述设置模块，用于根据制冷设备的降温阶段或升温阶段设置环境温度；

所述计算模块，用于根据监测的食品的实时气味分子含量S，计算气味分子含量百分比P；

所述比较模块，用于根据气味分子含量百分比P与存储的比较值P0或P1进行比较；

所述判断模块，根据比较结果判断升温或降温。

8.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至6任一项所述基于食品气味变化判断冻结点的方法的步骤。

9.一种制冷设备，其特征在于，包括主体结构、控制器、一个以上的环境温度检测装置和一个以上的气味分子含量检测装置；

所述环境温度检测装置、所述气味分子含量检测装置均与所述控制器连接。

10.如权利要求9所述的制冷设备，其特征在于，所述环境温度检测装置包括：有线传感器、红外传感器、或无线传感器；和/或，

所述气味分子含量检测装置包括：半导体气体传感器、电化学气体传感器、催化燃烧式气体传感器、热导式气体传感器、红外线气体传感器、或固体电解质气体传感器。