CN108271856B - 一种基于纳秒脉冲低压电场的果蔬保鲜装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于纳秒脉冲低压电场的果蔬保鲜装置，包括处理室和纳秒脉冲电场发生装置。其中，处理室包括密闭腔体且顶部开口的箱体、设置在箱体顶部开口处内含铜片保护通路的上盖，箱体和上盖通过定位组件契合，其内部的电磁装置和铜片保护通路和工作指示灯共同组成安全保护装置；纳秒脉冲电场发生装置包括参数可调的纳秒脉冲电源和密封在绝缘隔板内接有电极出线柱的多通道双电极。电场发生装置在箱体内形成纳秒脉冲电场，将果蔬置于其中进行电场处理，不仅能通过改变果蔬固有电场达到钝酶的效果，抑制果蔬的呼吸作用，同时具有很好的冷杀菌效果。本发明操作方法便捷，无污染，适用于各种易腐烂变质的果蔬保鲜，具有很高的应用价值。
Description
技术领域
本发明属于果蔬保鲜技术领域，具体涉及一种基于纳秒脉冲低压电场的果蔬保鲜装置。
背景技术
要延长果蔬的保鲜期要想办法杀灭微生物或抑制其活性和钝化酶。果蔬表面的微生物会导致果蔬腐烂影响果蔬品质。到目前为止，传统的果蔬保鲜方法仍然有许多问题未解决，物理保鲜法如气调保鲜法和减压保鲜法投资较大，保鲜费用高；化学保鲜法处理会使果实中残留相应的化学毒物，生物保鲜法目前产品性能不稳定推广性较差；热处理在杀菌钝酶的同时也改变了果蔬的天然性质，如热敏性的营养素和风味物质。
电场灭菌技术是目前国际上最热门最先进的冷杀菌技术之一，其基本原理是通过在两个电极间施加电压，产生的电场杀灭微生物和钝化酶活性，从而延长食品的货架期。
常用的电场保鲜方法为直流高压电场，如中国专利文献号CN201425398公开了一种带高压静电保鲜技术的家用冰箱、中国专利文献号CN201210511487.0公开了一种高压静电水果保鲜设备，均是通过直流高压静电发生控制器与导电极板相连，在极板间形成一个高压静电场，其产生的直流高压静电场能对果蔬起到保鲜作用，但缺点是需要高电压才能够达到保鲜所需电场强度，对操作人员具有危险性。由于果蔬水分影响，在直流电压作用下，果蔬内部电场非常弱，使得直流电场的作用效果降低。同时，果蔬直接与电极板接触，增加了极板的污染和磨损的可能性，缩短使用寿命，并且直流下的裸露极板由于静电效应，固体小颗粒会吸附在静电场发生器正极上，需要定期对静电场发生器进行清理。
又如中国专利文献号CN20160003902.X公开了一种冷却肉保鲜贮藏方法及用于保鲜的静电场保鲜装置，其中虽然电极未与样品直接接触，但也是裸露的，也存在以上问题。同时，该装置为单极板结构，没有地电极，这使得周围的金属结构有了一定的悬浮电位，增加了危险性，另外，没有地电极的收拢作用，假想以无穷远作为地电极，使得贮藏空间内的电场强度减弱，能量分散，影响保鲜效果。
发明内容
本发明的目的是为了克服上述缺陷和问题，提供了一种基于纳秒脉冲低压电场的果蔬保鲜装置，其以保护指示回路作为安全前提，结合陡前沿纳秒脉冲电场的特殊性能，采用密封的平板电极结构，构建纳秒脉冲电场。利用纳秒脉冲低压电场的冷灭菌方法处理果蔬，抑制果蔬表面微生物活性，通过钝酶作用减缓果蔬内部的新陈代谢，从而提高果蔬的新鲜度。
本发明采用如下技术方案来实现的：
一种基于纳秒脉冲低压电场的果蔬保鲜装置，包括处理室和纳秒脉冲电场发生装置；其中，处理室包括密闭腔体且顶部开口的箱体、设置在箱体顶部开口处内含铜片保护通路的上盖，箱体和上盖通过定位组件保证单一方向契合，并且箱体和上盖在任意一个对角线方向各有一个电磁装置；纳秒脉冲电场发生装置包括幅值频率可调的纳秒脉冲电源和密封在绝缘隔板内接有电极出线柱的电极板，多个电极板之间形成多通道双电极；
工作时，电极板依次通过电极出线柱和上盖通槽，通过高电压粗导线与设置在箱体外的纳秒脉冲电源连接，并通过电源插头插上插座为装置供电，在上盖完全闭合且按下开关的情况下，通过低电压细导线连接的低压控制保护电路导通，电磁装置吸附在铜片保护通路上，工作指示灯亮起，表示此时装置处于工作状态。
本发明进一步的改进在于，箱体内的底部平行设置有两个滑轨，两个滑轨上对称设置有若干对滑块，每一对滑块上均设置有一个隔板，每个隔板均能够通过对应的一对滑块沿两个滑轨移动和固定。
本发明进一步的改进在于，根据所保鲜的果蔬特性确定，对果蔬进行纳秒脉冲电场处理；其中，纳秒脉冲的上升沿为2～3ns，脉宽为8～10ns，对纳秒脉冲的重复频率、幅值和处理时间进行设定，频率范围是1Hz～10kHz，幅值范围是-25kV～+25kV，最大场强范围1kV/cm～5kV/cm，处理时间为30s～90s。
本发明进一步的改进在于，一对电磁装置与上盖内的铜片保护通路和设置在上盖上的工作指示灯共同组成安全保护指示回路。
本发明进一步的改进在于，定位组件包括在上盖上设置的定位凸台，以及在箱体上在对应位置开设的与定位凸台相配合的定位槽，以保证上盖和箱体以固定方向契合，确保安全保护指示回路能正常工作。
本发明进一步的改进在于，每个电极板与对应的隔板之间填充有导电胶。
本发明进一步的改进在于，每个电极板均采用平板铜电极且进行倒角处理，以保证良好的电气连接并防止局部放电的发生。
本发明进一步的改进在于，电极出线柱由螺柱和螺钉共同组成，该螺柱的外侧开设有外螺纹，便于外侧引线与外施电源相连，其内侧开设有内螺纹，电极板上开设有螺纹孔，螺钉穿过电极板上的螺纹孔，与螺柱的内螺纹拧合，使得螺柱能够紧固在电极板上，为封闭的电极板提供接线出口。
本发明进一步的改进在于，隔板采用食品级塑料制成，保证与果蔬接触的安全性。
本发明进一步的改进在于，工作时，调节相邻两个隔板之间的间距，将待保鲜的果蔬恰好置于两个隔板之间，使电极板与外施的纳秒脉冲电源相连，合好上盖，按下开关，工作指示灯亮起，从而可以调节纳秒脉冲的参数，在隔板间产生需要的纳秒脉冲电场，使果蔬一直处于纳秒脉冲电场的环境之中，并结合低温保鲜贮藏果蔬，用于对果蔬内部生物酶的钝化，减弱果蔬的呼吸作用，同时抑制果蔬表面的微生物活性，进而减少腐烂的发生。
本发明具有如下有益的技术效果：
本发明提供的一种基于纳秒脉冲低压电场的果蔬保鲜装置，包括果蔬处理室和纳秒脉冲电场发生装置。果蔬处理室包括密闭腔体且顶部开口的箱体、设置在箱体顶部开口处内含铜片保护通路的上盖，箱体和上盖通过定位组件保证单一方向契合，并且两者在对角线方向各有一个电磁装置，其与上盖内的铜片保护通路和设置在上盖上的工作指示灯共同组成安全保护指示装置。只有当保护指示回路导通，指示灯亮起后，纳秒脉冲电源才能正常工作，调节纳秒脉冲电源的参数输出纳秒脉冲。密封在绝缘隔板内接有电极出线柱的多通道双电极与电源输出端相连在处理室内产生需要的纳秒脉冲电场。电场施加在置于其中的果蔬上，用于维持长途运输的果蔬的保鲜度，其中上盖开有通槽，用于电极板与外施电压的连接并保证箱体保鲜环境的相对稳定性。所施加纳秒脉冲电场作用于果蔬上，影响微生物和果蔬自身固有电场和细胞膜的跨膜电位，从而抑制果蔬表面微生物活性，导致微生物凋亡，减缓果蔬的腐烂。同时，外加能量场能与水发生共鸣现象，可钝化果蔬内用于代谢的酶，从而降低果蔬呼吸强度，达到延长其贮藏期的效果。利用本发明处理果蔬，无化学残留，安全环保。实验表明，采用本发明的低压纳秒脉冲电场果蔬保鲜装置对果蔬进行保鲜处理，其处理过的果蔬腐烂率明显低于未被处理的果蔬，保鲜度更好，且本发明操作便捷，果蔬只需被处理一次，适用于各种易腐烂变质的果蔬保鲜。
进一步，电极板安置在装有滑块的滑轨上，可以根据不同的果蔬大小调整间隙，从而可以根据实际需要来灵活安排贮藏空间，不仅提高了空间利用率，而且在外施电压相同的情况下使隔板间达到最大场强，可以减小对高外施电压的需求，从而可以形成低压电场，保证操作者的安全性。
进一步，根据待处理的果蔬特性确定，对果蔬进行重复纳秒脉冲电场处理。对纳秒脉冲的重复频率、幅值和处理时间进行设定，频率范围是1Hz～10kHz，幅值范围是-25kV～+25kV，最大场强范围0.8kV/cm～2kV/cm，处理时间为30s～90s。陡前沿高频的纳秒脉冲，其2～3ns极陡的上升沿能产生瞬间的强场，且高频使得脉冲数量多，从而作用于果蔬上的能量更高，这样的纳秒脉冲电场对样品产生的温升小，钝酶和灭菌效果更好，更有利于果蔬的保鲜。
进一步，操作者启动装置需要将上盖与箱体契合盖好，确保安全保护回路可以导通，按下低压回路的启动开关，电流先经过工作指示灯，在回路完全导通时亮起，再经过箱体一角的电磁装置，满足处理室紧闭条件后导通，接着流经上盖的铜片保护通路到达箱体该角的对角线处，满足处理室紧闭条件后上盖的电磁装置导通，经箱体后接通纳秒脉冲电源，从而输出纳秒脉冲；一旦上盖未与箱体紧密闭合，安全保护指示回路将无法导通，工作指示灯不亮，纳秒脉冲电源无输出，既可保证操作者安全，也方便装置故障的排查。
进一步，上盖和箱体的特殊设计构成了一个定位组件，使得上盖与箱体保持一个方向闭合，从而保证保护指示回路能够正常工作。
进一步，电极板为进行倒角处理的平板结构，以胶体填充密封在隔板内，不仅保证了果蔬处理的均匀性，而且尽可能避免了由于电极与隔板的不紧密接触导致的小空气气隙的出现，从而减小局部放电发生的可能性；同时，电极板不与果蔬直接接触，不仅可以保证使用者的安全性，而且可以减小极板直接接触果蔬产生的污染和磨损。
进一步，为保证密封电极板与外施纳秒脉冲电源稳定相连，本发明提供了一个含有内外螺纹由螺钉紧固在密封电极板上的螺柱作为电极出线柱，螺柱断面与电极板接触，内螺纹用于螺钉穿过电极板上的螺孔后与螺柱的拧合，从而实现电极出线柱与电极板的紧固；螺柱的外螺纹方便出线柱与外施电源的连线通过螺帽固定，从而保证外施电压在电极板上稳定施加。该结构不仅保证了装置良好的电气特性，同时也为制作密封极板的出线柱节省了大量的物料。
附图说明
图1为本发明的正视图。
图2为本发明嵌在隔板凹槽内的电极板与电极出线柱的配合关系示意图。
图3为本发明的侧视图。
图4为本发明的上盖俯视图。
图5为低压纳秒脉冲电场处理后的樱桃腐烂率与天数之间的关系图。
图中：1-电源插头，2-纳秒脉冲电源，3-绝缘隔板，4-电极出线柱，401-螺柱，402-螺纹孔，403-内螺纹，404-外螺纹，405-螺钉，5-滑块，6-滑轨，7-开关，8-电极板，9-上盖，10-箱体，11-工作指示灯，12-电磁装置，13-铜片保护通路，14-定位凸台，15-上盖通槽，16-定位槽，L1～L4-低电压细导线(电压幅值≈220V)，L5～L6-高电压粗导线(电压幅值≥2kV)。
具体实施方式
以下结合附图与实施例对本发明做进一步说明：
参见图1至图4，本发明提供的一种基于纳秒脉冲低压电场的果蔬保鲜装置，包括处理室和纳秒脉冲电场发生装置。其中，处理室包括密闭腔体且顶部开口的箱体10、设置在箱体10顶部开口处内含铜片保护通路13的上盖9，箱体10和上盖9通过定位组件保证单一方向契合，并且两者在对角线方向均有一个电磁装置12；纳秒脉冲电场发生装置包括幅值频率可调的纳秒脉冲电源2和密封在绝缘隔板3内接有电极出线柱4的电极板8，多个电极板8之间形成多通道双电极。其通过穿过隔板3的电极出线柱4引出，上盖9上开设有上盖通槽15；此外，箱体10内的底部平行设置有两个滑轨6，两个滑轨6上对称设置有若干对滑块5，每一对滑块5上均设置有一个隔板3，每个隔板3均能够通过对应的一对滑块6沿两个滑轨7移动；根据电场强度与极板间距离和施加电压的关系，通过调整极板间距离到合适的宽度，为满足同样的电场强度的要求，可以使果蔬保鲜实现低电压的作用。工作前，电极板8依次通过电极出线柱4和上盖通槽15，用高电压粗导线与设置在箱体10外的纳秒脉冲电源输出端相连接，以固定方向合上盖子，按下低压电路的开关，电磁装置12启动，吸附在铜片保护通路13上，工作指示灯亮起，表示此时装置处于工作状态，保护指示回路导通，纳秒脉冲电源启动，调节纳秒脉冲电源参数，在处理空间内形成所需的纳秒脉冲电场。电场发生装置在箱体内形成纳秒脉冲电场，将待保鲜果蔬置于其中进行一定时间的电场处理，不仅能通过改变果蔬固有电场达到钝酶的效果，抑制果蔬的呼吸作用，同时具有很好的冷杀菌效果。
根据所保鲜的果蔬特性确定，对果蔬进行纳秒脉冲电场处理；其中，纳秒脉冲的上升沿为2～3ns，脉宽为8～10ns，对纳秒脉冲的重复频率、幅值和处理时间进行设定，频率范围是1Hz～10kHz，推荐值为5kHz～8kHz，幅值范围是-25kV～+25kV，最大场强范围0.8kV/cm～2kV/cm，处理为30s～90s。
其中，每个电极板8与对应的隔板3之间填充有导电胶。每个电极板8均采用平板铜电极。每个电极板8均做倒角处理。电极出线柱4由螺柱401和螺钉405组成，该螺柱401的外侧开设有外螺纹404，便于外侧引线与外施电源相连，其内侧开设有内螺纹403，电极板上开设有螺纹孔402，螺钉405穿过电极板8上的螺纹孔402，与螺柱401的内螺纹403拧合，使得螺柱401能够紧固在电极板8上，为封闭的电极板8提供接线出口。隔板3采用食品级塑料(如食品级PP)制成。
一对电磁装置12与上盖9内的铜片保护通路13和设置在上盖(9)上的工作指示灯11共同组成安全保护指示回路。操作者启动装置需要将上盖9与箱体10契合盖好，确保安全保护回路可以导通，按下低压回路的启动开关7，电流先经过工作指示灯11，在回路完全导通时亮起，再经过箱体一角的电磁装置，满足处理室紧闭条件后导通，接着流经上盖9的铜片保护通路13到达箱体该角的对角线处，满足处理室紧闭条件后上盖9的电磁装置12导通，经箱体10后接通纳秒脉冲电源，从而输出纳秒脉冲。一旦上盖9未与箱体10紧密闭合，安全保护指示回路将无法导通，工作指示灯不亮，纳秒脉冲电源无输出，既可保证操作者安全，也方便装置故障的排查。
定位组件包括在上盖9上设置的定位凸台14，以及在箱体10上在对应位置开设的与定位凸台14相配合的定位槽16。由于电磁装置12在上盖9和箱体10的对角上各有一个，为保证安全保护指示回路能够顺利导通，起到保护和指示的作用，使得上盖9只能以一个固定的方向盖在箱体10上。
工作时，调节相邻两个隔板3之间的间距，将待保鲜的果蔬恰好置于两个隔板3之间，果蔬间不要有贴合与重叠，使其与电极对应的表面积尽可能大，使电极板8与外施的纳秒脉冲电源相连，在确认保护指示回路导通，工作指示灯亮起时，隔板3间产生纳秒脉冲电场，使果蔬一直处于纳秒脉冲电场的环境之中，并结合低温保鲜贮藏果蔬，用于对果蔬内部生物酶的钝化，减弱果蔬的呼吸作用，同时抑制果蔬表面的微生物活性，进而减少腐烂的发生。纳秒脉冲电场由频率和幅值可调的纳秒脉冲电源与影响脉冲上升沿的外电路共同组成纳秒脉冲电源装置，将该电源施加于装置内部平板电极上即可在电极板之间形成上升沿、频率和电场强度可调的纳秒脉冲电场。
进一步的，若想调节纳秒脉冲的上升沿可串入影响电压波波头时间的电阻。通过公式
计算在需要的电场强度下，此时的极板间距对应的纳秒脉冲的幅值。调节纳秒脉冲电源的幅值和频率改变纳秒脉冲电场的处理参数，从达到所需参数时开始计时，处理一段时间后，断开开关7，工作指示灯11熄灭。将处理后的果蔬从极板间取出，结合低温保鲜方法，将其放置于低温环境下贮藏效果更佳。
利用化学保鲜等传统的保鲜方法存在各种问题且保鲜效果也差强人意。本发明提供的一种基于纳秒脉冲低压电场的果蔬保鲜装置，具体的一种典型实施例如下：
采用樱桃作为实验处理对象对本发明做进一步描述。选择大小相对均匀、表面无机械损伤、无病虫害、成熟度基本一致的红灯樱桃，分别置于装置隔板3之间。隔板间距根据樱桃大小调整滑块5在滑轨6上的位置，间距保持一致。电极出线柱4由一个螺柱401和一个螺钉405组成，螺纹孔402和内螺纹403使螺柱401能与电极板8间保持良好的电气连接，且可以节约制造成本，外施纳秒脉冲电源的接线通过螺帽和外螺纹404的配合接在螺柱401上，接线通过上盖通槽5与外施纳秒脉冲电源连接。樱桃独立放置在隔板3之间，不贴合重叠，盖上上盖9，其与箱体10构成相对密闭空间。闭合开关，保护指示电路导通，工作指示灯亮起，外施纳秒脉冲电源接通，由此，使隔板3间形成脉冲上升沿为2～3ns，脉宽8～10ns，最大电场强度为0.9kV/cm的电场。由于电场强度不强，较为均匀，且有阻挡介质在电极板8之间，电极板8与隔板3之间有胶体填充，因此，隔板3内部几乎没有发生局放，电极板8之间也达不到击穿所需的条件，从而在电极板8之间的处理区域内可以产生需要的纳秒脉冲电场处理环境，使得置于其中的果蔬可以被电场处理。改变外施电源参数和极板间距，可以实现不同的处理效果。
第一组实验参数：频率为2kHz时处理90s，第二组：频率为4kHz时处理30s，第三组：频率为6kHz时处理60s，实验均仅处理一次。实验在25℃的室温下进行，且处理后将实验组与未处理的对照组置于相对湿度在95％左右，在25℃的黑暗环境中贮藏。每隔24h，分别观察20组樱桃(28颗/组)的外观并测其腐烂率。腐烂率的测量方法如下：按果实腐烂面积大小将果实划分为4级：0级，无腐烂；1级，腐烂面积小于果实面积的10％；2级，腐烂面积占果实面积的10％～30％；3级，腐烂面积大于果实面积的30％。按下式计算腐烂指数：
参见图5，本实施例中无论是实验组还是对照组(未经纳秒脉冲电场处理，与实验组贮藏条件完全相同)，随着贮藏时间的延长，樱桃的腐烂率虽然都在不断地上升；但是经过在室温下贮藏6天后，利用低压纳秒脉冲电场处理的樱桃的腐烂率均低于对照组，尤其是实验三的腐烂率最低，只有17.8％，而对照组樱桃的腐烂率已经高达52.3％，也就是对照组坏果率较实验组三而言要高了一半以上。实验结果说明采用本发明产生的纳秒脉冲低压电场对樱桃的保鲜有较好的效果。
Claims (6)
1.一种基于纳秒脉冲低压电场的果蔬保鲜装置，其特征在于，包括处理室和纳秒脉冲电场发生装置；其中，处理室包括密闭腔体且顶部开口的箱体(10)、设置在箱体(10)顶部开口处内含铜片保护通路(13)的上盖(9)，箱体(10)和上盖(9)通过定位组件保证单一方向契合，并且箱体(10)和上盖(9)在任意一个对角线方向各有一个电磁装置(12)；纳秒脉冲电场发生装置包括幅值频率可调的纳秒脉冲电源(2)和密封在绝缘隔板(3)内接有电极出线柱(4)的电极板(8)，多个电极板(8)之间形成多通道双电极；
根据所保鲜的果蔬特性确定，对果蔬进行纳秒脉冲电场处理；其中，纳秒脉冲的上升沿为2～3ns，脉宽为8～10ns，对纳秒脉冲的重复频率、幅值和处理时间进行设定，频率范围是1Hz～10kHz，幅值范围是-25kV～+25kV，最大场强范围1kV/cm～5kV/cm，处理时间为30s～90s；
一对电磁装置(12)与上盖(9)内的铜片保护通路(13)和设置在上盖(9)上的工作指示灯(11)共同组成安全保护指示回路；
每个电极板(8)与对应的隔板(3)之间填充有导电胶；
工作时，电极板(8)依次通过电极出线柱(4)和上盖通槽(15)，通过高电压粗导线与设置在箱体外的纳秒脉冲电源(2)连接，并通过电源插头(1)插上插座为装置供电，在上盖(9)完全闭合且按下开关(7)的情况下，通过低电压细导线连接的低压控制保护电路导通，电磁装置(12)吸附在铜片保护通路(13)上，工作指示灯(11)亮起，表示此时装置处于工作状态；
调节相邻两个隔板(3)之间的间距，将待保鲜的果蔬恰好置于两个隔板(3)之间，使电极板(8)与外施的纳秒脉冲电源相连，合好上盖(9)，按下开关(7)，工作指示灯亮起，从而可以调节纳秒脉冲的参数，在隔板(3)间产生需要的纳秒脉冲电场，使果蔬一直处于纳秒脉冲电场的环境之中，并结合低温保鲜贮藏果蔬，用于对果蔬内部生物酶的钝化，减弱果蔬的呼吸作用，同时抑制果蔬表面的微生物活性，进而减少腐烂的发生。
2.根据权利要求1所述的一种基于纳秒脉冲低压电场的果蔬保鲜装置，其特征在于，箱体(10)内的底部平行设置有两个滑轨(6)，两个滑轨(6)上对称设置有若干对滑块(5)，每一对滑块(5)上均设置有一个隔板(3)，每个隔板(3)均能够通过对应的一对滑块(5)沿两个滑轨(6)移动和固定。
3.根据权利要求1所述的一种基于纳秒脉冲低压电场的果蔬保鲜装置，其特征在于，定位组件包括在上盖(9)上设置的定位凸台(14)，以及在箱体(10)上在对应位置开设的与定位凸台(14)相配合的定位槽(16)。
4.根据权利要求1或2所述的一种基于纳秒脉冲低压电场的果蔬保鲜装置，其特征在于，每个电极板(8)均采用平板铜电极且进行倒角处理，以保证良好的电气连接并防止局部放电的发生。
5.根据权利要求1或2所述的一种基于纳秒脉冲低压电场的果蔬保鲜装置，其特征在于，电极出线柱(4)由螺柱(401)和螺钉(405)共同组成，该螺柱(401)的外侧开设有外螺纹(404)，便于外侧引线与外施电源相连，其内侧开设有内螺纹(403)，电极板上开设有螺纹孔(402)，螺钉(405)穿过电极板(8)上的螺纹孔(402)，与螺柱(401)的内螺纹(403)拧合，使得螺柱(401)能够紧固在电极板(8)上，为封闭的电极板(8)提供接线出口。
6.根据权利要求1或2所述的一种基于纳秒脉冲低压电场的果蔬保鲜装置，其特征在于，隔板(3)采用食品级塑料制成，保证与果蔬接触的安全性。
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