CN112088930B - 基于超声结合高压电场的快速解冻装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于超声结合高压电场的快速解冻装置，包括高压电场发生装置和超声波装置，待解冻物质位于高压电场和超声波共存空间内。该解冻装置利用超声波辅助解冻过程中食品的外部和内部同时吸收超声波衰减产生的热量，从而显著提高解冻效率，避免了高压电场由外向内缓慢的热传导解冻带来的品质劣变问题。将超声波结合高压电场解冻，不仅有效提高了解冻速率，而且具有协同杀菌，提高解冻后水产制品品质，有效延长食品货架期的作用。

Description

基于超声结合高压电场的快速解冻装置

技术领域

本发明涉及冷冻装置，特别涉及基于超声结合高压电场的快速解冻装置。

背景技术

水产制品蛋白质含量较高，肌肉中水分多、组织脆弱且不饱和脂肪酸含量高、体内微生物生长繁殖迅速等这些特点使得水产品在贮藏、分销过程中极易腐败变质，大大降低其食用品质和商品价值。

冻藏保鲜是水产品运用最广泛的保鲜技术之一。一方面使水产品保持在冻结状态，生成的冰晶破坏微生物细胞，从而导致其活性丧失，无法生长繁殖，延缓水产品的品质劣变；另一方面冷冻储存抑制了酶的活性，使内源性酶失活，水产品的化学反应速率变慢，腐败率降低，因此适合长期保存水产品。冷冻是延长货架期的有效手段，但是食品必须依赖于合适的解冻工艺才能够进一步加工或食用。传统的解冻方法，如空气解冻、低温解冻、水解冻等，具有解冻时间长，解冻过程中伴随色泽劣变、汁液流失增加、风味受损、质地改变、蛋白变性和脂质氧化等问题。因此，寻求新型解冻方法已成为冷冻制品发展的必然趋势。

作为一种新型非热解冻方式，高压电场技术拥有具有低耗、节能、易操作且解冻均匀，以及电场作用使细胞膜穿孔致细菌死亡，有效延长食品的货架期等不可比拟的优势。但是，高压电场解冻仍然存在较为明显的缺陷：1、外加电场电离空气会生成负离子和臭氧，尽管臭氧具有杀菌作用，但高浓度的臭氧会引起食品的氧化和风味损失。2、高压电场解冻利用由外向内缓慢的热传导方式，食品表层的冰首先融化，之后逐渐向中心延伸。由于水的导热系数(0.61W/M·℃)约是冰(2.24W/m·℃)的1/4，因此解冻速度越来越慢，造成了食品的解冻效率低、解冻后汁液损失大、品质劣变等问题。

发明内容

发明目的：本发明目的是提供可实现冷冻制品的快速、高效解冻，而且具备杀菌以及有效抑制食品原有风味、营养物质、感官品质损失等特点的解冻装置。

技术方案：本发明提供一种基于超声结合高压电场的快速解冻装置，包括高压电场发生装置和超声波装置，待解冻物质位于高压电场和超声波共存空间内。

进一步地，所述高压电场发生装置包括电极装置和交流电源，电极装置包括第一接地电极板和至少一个第一电极，第一电极与交流电源的第一输出端连接，第一接地电极与交流电源的第二输出端连接，接通电源，电极板间形成高压电场，第一接地电极板和第一电极分别平行固定在超声波装置内部两侧。

优选地，高压电场发生装置可提供的电压为3000V，电流为0.1-2mA，输出频率为50-60Hz。

进一步地，所述超声波装置的箱内上方设有悬挂装置，悬挂装置用于悬挂待解冻物质。优选地，悬挂装置将装有冷冻物品的包装袋悬浮在超声波水槽中央。打开超声波装置和高压电场装置开关，进行解冻至及解冻产品中心温度达到0℃，终止解冻。悬挂装置的挂钩可以移动，可以解冻食品与高压电场的第一电极板间的距离。

进一步地，所述超声波装置为超声波发生器、超声波清洗器或超声波控制箱。

进一步地，所述第一电极包括导体层和绝缘层，绝缘层至少部分覆盖导体层，绝缘层与超声波装置连接。导体层的厚度优选为0.01mm-100mm。

进一步地，所述第一电极包括导体层和绝缘层，绝缘层至少部分覆盖导体层，绝缘层与超声波装置连接。

有益效果：本发明的高压电场可加速冰层结构中氢键的断裂，以及外加电场促进电晕放电形成离子风，提高解冻速度。除此之外，高压电场还是一种良好的非热杀菌技术。在此基础上，引入超声波辅助高压电场协同解冻。一方面，利用超声波辅助解冻过程中食品的外部和内部同时吸收超声波衰减产生的热量，从而显著提高解冻效率，避免了高压电场由外向内缓慢的热传导解冻带来的品质劣变问题；另一方面，在解冻介质中，空化泡破裂形成的微射流能显著增大解冻介质的流速，加强了对流传热效果，加速解冻进程，并且可避免由高压电场产生的臭氧浓度过高，造成食品氧化等问题。同时，超声波空化现象可以破坏微生物细胞壁和细胞膜结构。因此，超声波结合高压电场解冻，不仅有效提高了解冻速率，而且具有协同杀菌，提高解冻后水产制品品质，有效延长食品货架期的作用。此外，本发明不需要制造新的解冻设备，只需要将电极板固定在现有的超声波装置内，操作方便、容易普及、具有较强的工业、生活实用性。

附图说明

图1为本发明解冻装置的结构示意图；

图2为本发明中对照、高压电场、超声、超声&高压电场处理对腐败希瓦氏菌的抑菌效果；

图3为本发明中对照、高压电场、超声、超声&高压电场处理后，腐败希瓦氏菌的SEM图；

图4为本发明中不同解冻方式下，真鲷的解冻时间曲线；

图5为本发明中不同解冻方式下，真鲷的肌纤维微观结构；

图6为本发明中不同解冻方式下，真鲷蛋白质的氧化程度表征。

具体实施方式

实施例1

如图1所示，本实施例的解冻装置包括第一电极板1，第一接地电极板2，交流电源3，超声波装置4，悬挂装置5，冷冻水产品6，包装袋7。第一电极板1与交流电源3的第一输出端连接，第一接地电极板2与交流电源3的第二输出端连接。电极板1和2材料为铜。接通电源，两电极板间可形成高压电场。第一电极1与第一接地电极2分别平行固定在所述超声波装置4的内部左右两侧。超声波装置的水槽箱的内部上方嵌有悬挂装置5，悬挂装置的挂钩可以随意移动。

本发明的解冻系统的工作过程为：实验开始时，将冷冻水产品6置于所述包装袋7内，密封。所述包装袋7为无毒且为食品级的材料，如聚乙烯。所述悬挂装置5将装有冷冻水产品6的包装袋7悬浮在超声波水槽中央。打开超声波装置和高压电场装置开关，进行解冻，至水产品中心温度达到0℃，终止解冻。

实施例2

首先研究高压电场、超声、超声&高压电场处理对腐败希瓦氏菌的抑菌效果。

1.抑菌试验

腐败希瓦氏菌(S.putrefaciens，编号ATCC BAA-1097)购买于北京生物保藏中心。在进行抑菌试验之前，对玻璃培养皿、培养基、PBS缓冲液和0.9％NaCl进行高压灭菌(121℃，20min)。将细菌置于LB液体培养基中，在全温振荡器(THZ-C-1，Suzhou PeiyingExperimental Equipment Co.，Ltd.，Suzhou，China)(30℃，200rpm)中培养24h。然后将菌液用PBS缓冲液(pH＝7.4)离心洗涤(5000rpm，5min)3次，再用0.9％NaCl溶液将细菌溶液进一步稀释至OD₆₀₀值为约0.1，此时细菌浓度约为10⁸CFU mL^-1。

取40mL稀释后的菌液(10⁸CFU mL^-1)，分别在高压电场、超声、超声&高压电场下处理4h。具体处理方法如下：

1.1对照组(Control)

将40mL菌液置于包装袋内，放置于如图1所述装置的超声波水槽内，超声波和高压电场开关均关闭，维持4h。

1.2高压电场处理(High voltage electric field，HVEF)

只打开高压电场开关处理菌液，其余步骤参考1.1。其中高压电场两块板之间产生的工作电压为3000V，电流为2mA，频率为50Hz。

1.3超声处理(Ultrasound，US)

只打开超声波开关处理菌液，其余步骤参考1.1。其中超声波功率设置在360W，频率为40kHz，并根据超声波装置的温度监测系统，通过加冰控制水温在25℃。

1.4超声&高压电场处理(US&HVEF)

超声波和高压电场开关均打开处理菌液，其余步骤参考1.1。其中高压电场两块板之间产生的工作电压为3000V，电流为2mA，频率为50Hz。超声波功率设置在360W，频率为40kHz，并根据超声波清洗机的温度监测系统，通过加冰控制水温在25℃。

将4组菌液用0.9％NaCl溶液稀释10³倍。最后，取50μL稀释后的菌液均匀接种在LB固体培养基上，并在30℃下培养24h，以计算菌落形成单位(CFU)的数量。平板上的菌落数通过Image J软件计算。并使用以下公式计算不同处理组的抑菌率：

抑菌率＝(实验组平板上的菌落数/对照组平板上的菌落数)×100

2.细菌扫描电镜观察

将4组经过不同处理的菌液(40mL，10⁸CFU mL^-1)离心(5000rpm，5min)，弃上清，取细菌置于2.5％的戊二醛溶液中固定4h。然后用0.9％NaCl溶液洗涤2次，之后分别用体积分数为30％、50％、70％、90％、100％的乙醇脱水，每次15min。最后，将脱水后的细菌样品置于冷冻干燥机中干燥48h，将待扫描样品贴在导金胶布上喷金，利用场发射扫描电镜(ZEISSsigma500，Carl Zeiss Jena，Germany)，在加速电压为20kV，放大倍数为80,000倍观察细菌的表面形态。

之后研究不同功率的超声结合高压电场对冷冻鱼肉解冻后品质特性的影响。

3.解冻实验

3.1原料预处理

真鲷(平均体长30±3cm，体重900±50g)购买于南京众彩水产市场，1小时内运至实验室，之后立即处死、去皮、去内脏后，取真鲷脊背部肉(约120g)。上述操作均通过加冰控制在4℃，然后将所有鱼片切成相同的尺寸(3×3×3cm³，约20g)，分为六组。①新鲜鱼片，作为对照组(CON)。另外五组样品在-20℃储存30天，并分别使用以下5种不同解冻方式：②室温解冻(Room temperature thawing，RT)；③高压电场解冻(High voltage electricfield thawing，HVEF)；④-⑥不同功率的超声(240/360/600W)结合高压电场解冻(US(240W)/(360W)/(600W)&HVEF)。

3.2鱼片的解冻方法

3.2.1室温解冻(RT)

将冷冻鱼片置于包装袋内，密封，悬挂在如图1所述装置的超声波水槽内，将超声波水槽的水温控制在25℃。超声波和高压电场开关均关闭。在鱼片中心插入温度传感器，与温度传感器相连的温度记录仪记录着鱼片的中心温度，每隔30s记录下温度，直至温度达到0℃，解冻完成，并绘制解冻曲线。

3.2.2高压电场解冻(HVEF)

鱼片解冻过程超声波开关关闭，高压电场开关打开。其余步骤参考3.2.1。其中高压电场两块板之间产生的工作电压为3000V，电流为2mA，频率为50Hz。

3.2.3不同功率的超声(240/360/600W)结合高压电场解冻(US(240W)/(360W)/(600W)&HVEF)

鱼片解冻过程超声波开关打开，高压电场开关关闭。其余步骤参考3.2.1。其中超声波功率分别设置为240W、360W、600W，频率为40kHz，解冻过程，根据超声波清洗机的温度监测系统，通过加冰控制水温在25℃。

3.3肌纤维微观结构

使用冷冻切片机(Leica CM1850，Leica Microsystems Co.Ltd，Switzerland)将真鲷鱼片顺纤维切成5-10μm厚，切片用HE染色试剂盒(G1120)染色后，在10倍光学显微镜(Nikon 80i，Nikon Corporation，Tokyo，Japan)下观察，然后用显微镜自带相机(NikonCCD)拍照，观察样品的肌纤维微观结构。

3.4鱼肉蛋白氧化程度表征

3.4.1总巯基含量的测定

总巯基含量的测定按照总巯基含量试剂盒(A063-1)方法。然后用紫外分光光度计(UV-2550，Shimadzu Corporation，Kyoto，Japan)在412nm处测定吸光度。总巯基含量计算公式如下：

式中：A、A_b、A_c分别为实验样品、空白样品和对照样品的吸光度值；ε为消光系数(13600M^-1cm^-1)；b为石英比色皿的光径(0.5cm)；c为待测样品蛋白浓度(mg/mL)；d为样品蛋白稀释倍数(17.5)。

3.4.2羰基含量的测定

蛋白羰基含量的测定按照羰基试剂盒(A087)方法，用紫外分光光度计在370nm处测定吸光度，羰基含量表示为蛋白质nmol/mg，计算公式如下：

式中：A、A_c为实验组和对照组样品的吸光度；ε为消光系数(22M^-1cm^-1)；b为石英比色皿的光径(0.5cm)；c为待测样品蛋白浓度(mg/L)；常数12.5：V_盐酸胍/V_蛋白＝1.25mL/0.1mL＝12.5

3.4.3Ca²⁺-ATPase活性

Ca²⁺-ATP酶活性根据ATP酶试剂盒(A070-3)测定。ATP可被ATP酶水解生成ADP和无机磷酸盐(Pi)，可以用简单的比色反应来测量。Ca²⁺-ATP酶活性表达为每毫克组织蛋白每分钟产生的无机磷酸盐量，通过定无机磷酸盐的含量来计算样品中的ATPase活性(μmol(Pi)/mg(pro)/min)。

式中：A、A_b、A_c、A_s分别为实验组、空白组、对照组、标准组样品的吸光度值；c_s为磷标准溶液浓度(0.02mol/mL)；c为待测样品蛋白浓度(mg/mL)；d为样品蛋白稀释倍数(7.8)；×6是因为定义时间为1小时，实际运行时间为10min。

3.5数据处理

实验数据用Excel 2013和SPSS软件(SPSS 24.0，Chicago，IL，USA)处理，结果采用均值±标准差形式。均值比较采用ANOVA中的Duncan法比较，取95％置信度(p＜0.05)。采用Origin 8.5软件(OriginLab Co.，Northampton，MA，USA)进行数据绘图。

4.结果分析

如图2所示，腐败希瓦氏菌经HVEF、US、US&HVEF处理4h后，抑菌率分别为47.12％、72.51％和96.73％。进一步通过扫描电镜观察细菌的表面形态，如图3，对照组菌体形态饱满、完整无缺陷，菌体表面光滑未变形。经HVEF、US、US&HVEF处理4h后，菌体发生扭曲变形，内部出现凹陷，且细胞膜表面粗糙、皱缩，并出现空洞(图3中箭头)。尤其是经US&HVEF处理后的细菌，细胞膜被严重破坏，细菌细胞完全破裂和扭曲变形，如图3圈出部分。这主要是由于在外加电场作用下，细胞膜跨膜电压逐渐增加，细胞膜变薄并形成微孔。当跨膜电压继续增加至超过临界值时，细胞膜发生崩解，导致细菌死亡。而超声波空化现象可破坏微生物细胞壁和细胞膜结构，空化气泡破裂时产生的局部高温可达到微生物灭活的作用。结果证明，US&HVEF处理，可以达到协同灭菌的效果。结合冷冻制品在解冻过程中，表面会滋生微生物造成品质劣变，本发明利用US&HVEF协同抑菌，具有显著效果。

进一步地，研究US&HVEF对解冻鱼肉品质特性的影响。鉴于超声辅助解冻的原理主要是利用超声波的热效应，热效应所产生的能量与超声强度成正比，因此，优化出合理的超声功率及超声强度可达到最优的解冻效果。本发明通过鱼肉的纤维结构及蛋白氧化程度继续探究不同功率的超声(240/360/600W)结合高压电场解冻对冷冻鱼片品质的影响。

如图4所示，与RT(34.5min)相比，HVEF、US(240W)/(360W)/(600W)&HVEF的解冻时间分别缩短了42.03％、68.12％、73.91％、79.71％。说明US&HVEF显著缩短了解冻时间。另外，从图5可以看出，CON样品纤维束完整、紧密、有序，纤维束之间几乎没有空隙，肌原纤维具有清晰的网状结构。但是，RT样品表面粗糙，纤维边缘模糊，纤维结构疏松，纤维间隙大，说明室温解冻严重破坏了肌肉纤维的完整性。经过US&HVEF解冻后的鱼肉，肌纤维结构致密有序，断裂程度明显降低。特别是在360W功率水平下，可以观察到鱼片完整的纤维结构，说明该条件对鱼片肌纤维的破坏程度较小，鱼肉品质维持较好。

进一步在蛋白水平探究US&HVEF解冻对鱼肉品质的影响。如图6所示，CON、RT、HVEF、US(240W)/(360W)/(600W)&HVEF组样品的总巯基含量分别为0.174、0.103、0.126、0.148和0.144mmol/g prot。RT样品的总巯基含量最低，说明蛋白质氧化程度最高。这主要是因为在冷冻过程中冰晶的形成对样品造成了很大的机械损伤，而且在解冻过程中细菌的滋生也导致了鱼片的变质。US&HVEF解冻可以抑制样品蛋白巯基的氧化，说明该解冻方式下样品的品质较高，尤其是US(360W)&HVEF组样品表现出最低的氧化程度和最佳的解冻品质。

另外，羰基化是蛋白质氧化最显著的化学修饰之一，蛋白质羰基含量也可作为判定蛋白质氧化程度的一项重要指标。如图6，与CON样品(0.821nmol/mg prot)相比，RT、HVEF、US(240W)/(360W)/(600W)&HVEF组样品的羰基含量分别提高到1.957、1.64、1.483、1.085和1.156nmol/mg prot。可以看出，US&HVEF复合解冻方式相对于单一的HVEF解冻和RT解冻，可显著降低蛋白质的氧化程度。

Ca²⁺-ATPase活性代表肌球蛋白头部结构的完整性，其活性的降低是由于肌球蛋白头部巯基的氧化所致。因此，Ca²⁺-ATPase活性可作为蛋白质氧化的特异性生物标志之一。如图6，与CON样品(5.91U/mg prot)相比，RT、HVEF、US(240W)/(360W)/(600W)&HVEF组样品的Ca²⁺-ATPase活性分别降低了1.83、1.39、1.06、0.57和0.42U/mg prot。尤其当超声功率为360W和600W时，Ca²⁺-ATPase活性无显著差异(p≥0.05)，但明显高于其他各组(p＜0.05)。说明与传统的RT解冻和单独的HVEF解冻，US&HVEF解冻可以降低蛋白质的氧化程度，当超声功率为360W时，蛋白质的氧化程度最低，解冻后鱼肉品质维持较好。

Claims (5)

1.一种基于超声结合高压电场的快速解冻装置，其特征在于：包括高压电场发生装置和超声波装置（4），待解冻物质位于高压电场和超声波共存空间内，所述高压电场发生装置包括电极装置和交流电源（3），高压电场发生装置可提供的电压为3000 V，电流为0.1-2mA，输出频率为50-60 Hz，装置用于抑制腐败希瓦氏菌，

电极装置包括第一接地电极板（2）和至少一个第一电极（1），第一电极（1）与交流电源（3）的第一输出端连接，第一接地电极与交流电源（3）的第二输出端连接，接通电源，电极板间形成高压电场，第一接地电极板（2）和第一电极（1）分别平行固定在超声波装置（4）内部两侧，

其中超声波功率设置为360 W 或600 W，频率为40 kHz。

2.根据权利要求1所述的基于超声结合高压电场的快速解冻装置，其特征在于：所述超声波装置（4）的箱内上方设有悬挂装置（5），悬挂装置（5）用于悬挂待解冻物质。

3.根据权利要求1所述的基于超声结合高压电场的快速解冻装置，其特征在于：所述超声波装置（4）为超声波发生器、超声波清洗器或超声波控制箱。

4.根据权利要求1所述的基于超声结合高压电场的快速解冻装置，其特征在于：所述第一电极（1）包括导体层和绝缘层，绝缘层至少部分覆盖导体层，绝缘层与超声波装置（4）连接。

5.根据权利要求1所述的基于超声结合高压电场的快速解冻装置，其特征在于：解冻温度为20℃-30℃。

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