CN113575657A - 一种基于液电脉冲激波的肉排嫩化装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于液电脉冲激波的肉排嫩化装置和方法，属于高电压技术、脉冲功率技术及食品加工领域。本发明将近代高新技术理论‑脉冲功率技术应用于食品加工领域的拓展技术，具体地，通过液电脉冲激波作用，使肉类肌原纤维物理撕裂，同时影响蛋白质形态及酶的活性，增强结构肌肉蛋白质的水解，使得肌肉的结构变得松散，达到嫩化的效果，属于纯物理嫩化手段，嫩化过程中不添加任何生物化学材料，不会污染肉质，不存在任何副产物等问题。本发明通过激波定向聚焦提升激波的强度和利用率，大大提高了肉排嫩化效率。本发明装置操作简便、体积小，便于运输，可实现流水作业，设备整体价格适中，能耗低。

Description

一种基于液电脉冲激波的肉排嫩化装置和方法

技术领域

本发明属于高电压技术、脉冲功率技术及食品加工领域，更具体地，涉及一种基于液电脉冲激波的肉排嫩化装置和方法。

背景技术

嫩度是衡量肉类品质的重要特征，影响肉类嫩度的因素主要包括：僵死后肌肉纤维的缩短程度；由于蛋白质分解或蛋白水解而导致该结构的肌肉蛋白质破碎的程度；遗传和环境的影响。肉的嫩度直接影响到肉制品的口感、营养、消化和风味等，决定新鲜肉的可接受性和市场竞争，例如饮食满意度，反复购买和价格。如何提高产品的嫩度，从而在市场竞争中取得优势，是非常重要的一个研究方向，多年来国内外对肉类加工科学的研究工作重点都放在如何改善肉的嫩度上。

传统的肉类嫩化方式根据嫩化原理的不同主要分为三种，分别是物理方法：比如电刺激法、超高压法、倒吊排酸法；化学方法：常用的有多聚磷酸盐嫩化法、有机酸嫩化法；生物方法：采用生物手段如外源蛋白酶嫩化法、激活内源蛋白酶嫩化法。在肉制品行业生产中，需要综合考虑成本、应用范围以及使用该方法的安全性。物理方法能处理较坚硬的肉类，适合于各种肉类，但操作复杂，耗时耗能；化学方法可能腐蚀蛋白质，造成营养成分的损失，处理时间较长、嫩化效果有限且添加过量会影响肉品的口感；生物嫩化法可能引起肉类交叉污染。常用的冲击波肉类嫩化方法主要使用炸药在水中爆炸产生强力冲击波，但其可能造成肉质污染，并且重复性较差，危险性高。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于液电脉冲激波的肉排嫩化装置和方法，其目的在于一种操作简单、结构轻便、无污染、重复性高的肉排嫩化方案。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于液电脉冲激波的肉排嫩化装置，包括：液电脉冲激波发生单元、水箱、供电控制单元、储能单元；

供电控制单元与储能单元电连接，用于为储能单元提供电能，并控制充电电压及肉排嫩化作用频率；

储能单元，与液电脉冲激波发生单元电连接，用于将储存的能量瞬间施加到液电脉冲基波发生单元；

液电脉冲激波发生单元，设置于水箱内，用于产生高强度激波并经定向聚焦后作用于真空包装的肉排，实现肉排嫩化。

进一步地，液电脉冲激波发生单元通过金属杆固定于水箱中，其与肉排的作用距离可调。

进一步地，所述液电脉冲激波发生单元包括：旋转抛物面反射罩、高压电极、绝缘固定件和接地电极；

高压电极通过绝缘固定件固定于旋转抛物面反射罩一侧，接地电极与高压电极水平同轴固定于旋转抛物面反射罩另一侧，用于水间隙击穿产生高强度激波并向外辐射；

旋转抛物面反射罩，用于使激波经反射后平行汇聚向下传播。

进一步地，高压电极与绝缘固定件之间、接地电极与旋转抛物面反射罩之间通过螺纹旋转固定。

进一步地，所述储能单元包括依次连接的高压转换单元、高压电容单元和脉冲压缩单元；

高压转换单元，用于将供电控制单元输入的低压交流电整流为直流高压，对高压电容单元充电；

高压电容单元，用于存储高压转换单元输出的直流高压能量；

脉冲压缩单元，用于在高压电容达到额定值后，触发导通使电容储存能量在瞬间释放到液电脉冲激波发生单元上。

进一步地，所述装置还包括肉排传送单元，用于将真空包装的肉排运输至水箱中激波的作用区域进行嫩化，并将嫩化后的肉排输送至水箱出口，实现肉排嫩化流水作业。

进一步地，肉排传送单元的启动与停止由供电控制单元控制。

进一步地，供电控制单元与储水单元相隔设定距离，实现肉排嫩化远程控制。

本发明另一方面提供了一种基于液电脉冲激波的肉排嫩化方法，包括：

对待嫩化的肉排进行真空包装；

采用液电脉冲激波作用于真空包装的肉排，实现肉排嫩化。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果。

(1)本发明是将近代高新技术理论-脉冲功率技术应用于食品加工领域的拓展技术，具体地，通过液电脉冲激波作用，使肉类肌原纤维物理撕裂，同时影响蛋白质形态及酶的活性，增强结构肌肉蛋白质的水解，使得肌肉的结构变得松散，达到嫩化的效果，属于纯物理嫩化手段，嫩化过程中不添加任何生物化学材料，不会污染肉质，不存在任何副产物等问题。

(2)本发明通过激波定向聚焦提升激波的强度和利用率，大大提高了肉排嫩化效率。

(3)本发明装置操作简便、体积小，便于运输，可实现流水作业，设备整体价格适中，能耗低。

附图说明

图1是本发明实例提供的基于液电脉冲激波的肉排嫩化装置的结构示意图；

图2是本发明实例提供的基于液电脉冲激波的肉排嫩化装置中液电脉冲激波发生单元的结构示意图；

图3是本发明实例提供的基于液电脉冲激波的肉排嫩化装置中储能单元的结构示意图；

图4是本发明实例提供的基于液电脉冲激波的肉排嫩化装置中典型的电压、电流及激波波形示意图；

图5是本发明实例提供的基于液电脉冲激波的肉排嫩化效果图；

其中，101为肉排传送单元、102为液电脉冲激波发生单元、103为水箱、104为储能单元105为供电控制单元、201为旋转抛物面反射罩、202为高压电极、203为绝缘固定件、204为接地电极、301为高压转换单元、302为高压电容单元、303为脉冲压缩单元。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

基于液电脉冲激波的肉排嫩化技术是将近代高新技术理论-脉冲功率技术应用于食品加工领域的拓展技术。液电脉冲激波主要通过对蛋白质和酶的作用达到肉质嫩化效果。嫩化原理具体如下：

一、激波对蛋白质的破坏

液电脉冲激波作用会引起肌小节结构的物理破坏，导致肉类肌原纤维物理撕裂，从而改变了肌原纤维(是一种蛋白质)的结构，使得肌肉的结构变得松散，在激波的作用下，肌内膜的蜂窝状结构被破坏，产生了变形，导致内膜表面上的肌原纤维聚集在一起，形成了一个更开放和松散的网络，同时，在高压的作用下，肌动蛋白和肌球蛋白之间发生了一定错位，使得肌肉的结构变得松散。在激波的压力作用下，蛋白质分子间的氢键作用会受到影响而减小，分子间相互作用力随之减小，同时，疏水键、离子键也会受到影响，因为压力导致分子体积缩小。这些键的断裂将使得蛋白质无法维持现有的形态，从而展开，暴露内部的非极性基团，蛋白质的二级结构被破坏。

二、激波对酶的影响，在自然成熟的过程中，最重要因素是内源性蛋白水解酶(钙蛋白酶、组织蛋白酶、胱天蛋白酶)的释放和激活，这些酶负责对肌肉纤维中的蛋白质进行分解。在激波作用下，使得溶酶体加速破裂，释放了蛋白酶，同时高压作用下肌质网也会被破坏，导致Ca2+浓度升高，激活蛋白酶系统，促进了肌肉的嫩化。

本发明还通过激波定向聚焦技术能够提升激波的强度和利用率，大大提高嫩化效率。该方法为纯粹的物理嫩化手段，较传统的生物、化学嫩化方法而言，不会引入杂质造成肉质交叉感染，不存在环境污染问题，同时具有成本低、操作简便、安全节能、作用时间短、效率高等特点，并有望拓展到岩石破碎、水下声源等领域。

为了说明本发明实施例提供的基于液电脉冲激波的肉排嫩化装置，现结合附图和具体事例详细说明如下：

如图1所示，本发明基于液电脉冲激波的肉排嫩化装置包括，肉排传送单元101、液电脉冲激波发生单元102、水箱103、储能单元104、以及离水箱一定距离的供电控制单元105；

供电控制单元与储能单元电连接，用于向储能单元提供低压交流电，设置充电电压及放电嫩化作用频率，控制肉排传送单元的启动与停止；液电脉冲激波发生单元102浸没于水箱内，并与储能单元电连接，用于击穿水间隙产生强有力的激波，并经过将激波定向聚焦后射出，激波作用于真空包装的肉排实现嫩化作用；水箱103材料为不锈钢，边长1m，配有直径25cm的圆形观测窗，左右两侧面开口，作为肉排传送单元101运输肉排的进出口；为了提高装置集成度，水箱与储能单元104箱体紧密接触，构成一个整体。本发明实例中肉排传送单元101为弯曲型结构，启动和停止由供电控制单元105控制，通过水箱的部分无带电元件；供电控制单元105可采用220V/50Hz、380V/50Hz或其它交、直流电源，对储能单元104进行充电；

液电脉冲激波发生单元通过金属杆固定于装满水的水箱中，并位于肉排传送单元传送带的正上方，其距离肉排的距离可调，可根据设置电压等级、电容量等参数选择合适的作用距离；图2示出了液电脉冲激波发生单元102的结构，包括旋转抛物面反射罩201、高压电极202、绝缘固定件203及接地电极204；高压电极经螺纹旋转于绝缘固定件后固定于旋转抛物面反射罩一侧，绝缘固定件增加了沿面击穿距离，提高了电气绝缘强度，防止高压电极直接对旋转抛物面反射罩放电；接地电极与高压电极水平同轴设置，直接通过螺纹旋转固定于旋转抛物面反射罩另一侧，并接地；高压电极和低压电极的电极间隙距离可通过螺纹旋转，电极间隙中心位于旋转抛物面反射罩201的焦点处；高压电极和接地电极为可更换设计，多次放电烧蚀后可进行定期更新；高压电极、接地电极用于水间隙击穿产生高强度激波并向外辐射；旋转抛物面反射罩201由抛物线方程y＝a·(x-b)²+c绕对称轴x＝b旋转一周而成，可起到激波汇聚效果，使激波经反射后向下平行传播，提高肉排嫩化的效率，a、b、c为常数，根据激波的作用范围、肉排大小及作用效果优化而定；高压电极202和接地电极204为针-针电极，材料为钨铜或不锈钢或其它耐烧蚀材料；绝缘固定件203采用环氧树脂或其他绝缘性能优良的材料；旋转抛物面反射罩的材料为不锈钢或其它耐腐蚀性材料，厚度不小于1cm，能够承受水中放电产生的高强度激波。

上述液电脉冲激波发生单元的工作过程为：液电脉冲放电电极间隙在瞬间施加的高电压作用下击穿，电极间隙流过脉冲大电流，形成电弧通道，由于水的弱压缩性，通道和空腔膨胀产生强力激波并向外传播；激波在旋转抛物面反射罩内部发生反射并最终汇聚平行于旋转抛物面反射罩对称轴射出，起到激波聚焦定向效果，提高对肉排作用面积，提升嫩化效果。

本发明实施例中，旋转抛物面反射罩201由抛物线方程

旋转而成，旋转抛物面反射罩201高度9cm，底面直径12cm，焦点距离旋转抛物面反射罩201顶部4cm。

图3示为本发明实施例提供的储能单元104的结构示意图，包括：高压转换单元301、高压电容单元302和脉冲压缩单元303；各个单元通过高压导线连接，集成在一个箱体中，各部分绝缘良好，通过高压导线连接，保证各个单元良好的电气连接。高压转换单元301用于将供电控制单元输入的低压交流电经通过全桥或半桥整流方式输出直流高压，对高压电容单元充电；高压电容单元302用于将高压转换单元输出的直流高压能量存储为液电脉冲放电的总电能；脉冲压缩单元303用于将高压电容单元储存的能量在极短的时间内施加到液电脉冲激波发生单元上。其中，高压电容单元采用脉冲电容器，可以采用多级级联的形式，可根据肉排的种类、硬度、屠宰时间等特性灵活选择电容量等参数，选择合适的激波强度；脉冲压缩单元包括脉冲压缩开关及其控制回路；控制回路用于当高压电容单元充电至设定电压后输出触发信号使脉冲压缩开关导通；脉冲压缩开关用于在其导通后将高压电容单元储存的电能量施加到激波发生汇聚装置上；

本发明实施例中，高压转换单元301输出直流电压30kV。高压电容单元302电容量为3μF，采用2级电容并联，单级电容量为1.5μF，额定电压30kV，额定储能为1.35kJ，寿命大于10000次。脉冲压缩单元303采用真空触发开关，额定电压为30kV，最大峰值电流45kA，电荷转移量大于100kC。控制回路的输出控制信号幅值为15kV，上升沿小于0.5μS。

图4为本发明实施例的基于液电脉冲汇聚激波的肉排嫩化装置的典型放电电压、电流及激波波形。在高压电容单元302充电电压设置为20kV，电极间隙距离为20mm条件下，放电电流的最大峰值为10.69kA，振荡周期44.5μS。考虑到激波探头的使用安全性，激波测量探头距离电极间隙中心的距离为17cm，测量得到的激波强度为7.49MPa，脉宽约为39μs。实际作用中，肉排距离电极间隙中心约5cm，推算实际作用强度约为33.35MPa。

图5是本发明实例提供的基于液电脉冲汇聚激波的肉排嫩化效果图。实验证实，激波作用1、2、4次时，嫩化程度分别为-23.46％、14.85％、14.68％，嫩度提升产生差异的原因可能是肉制品本身的嫩度存在差异，即使同一块肉其不同部位的嫩度也不同。总体上，激波作用过后，肉的嫩化程度提升了。

本实例的基于液电脉冲激波的肉排嫩化装置的具体工作过程为：

根据食品行业标准制定肉排嫩化操作规范；

将冷藏到规定温度的真空包装肉排放置在肉排传送单元101起点处，利用供电控制单元105将真空包装肉排运输至液电脉冲激波发生单元102的正下方；

利用供电控制单元105向储能单元104充电并控制其放电，使得液电脉冲激波发生单元102至少输出一次液电脉冲汇聚激波，充分作用于真空包装的肉排；

利用供电控制单元105启动肉排传送单元101，将液电脉冲汇聚激波处理后的肉排运输至水箱出口，完成该次肉排嫩化操作；

嫩化操作结束后，对肉排进行嫩度检测，评估嫩化效果。

本领域的技术人员容易理解，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于液电脉冲激波的肉排嫩化装置，其特征在于，包括：液电脉冲激波发生单元(102)、水箱(103)、供电控制单元(105)、储能单元(104)；

供电控制单元(105)与储能单元(104)电连接，用于为储能单元提供电能，并控制充电电压及肉排嫩化作用频率；

储能单元(104)，与液电脉冲激波发生单元(102)电连接，用于将储存的能量瞬间施加到液电脉冲基波发生单元；

液电脉冲激波发生单元(102)，设置于水箱(103)内，用于产生高强度激波并经定向聚焦后作用于真空包装的肉排，实现肉排嫩化。

2.根据权利要求1所述的一种基于液电脉冲激波的肉排嫩化装置，其特征在于，液电脉冲激波发生单元通过金属杆固定于水箱中，其与肉排的作用距离可调。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于液电脉冲激波的肉排嫩化装置，其特征在于，所述液电脉冲激波发生单元(102)包括：旋转抛物面反射罩(201)、高压电极(202)、绝缘固定件(203)和接地电极(204)；

高压电极(202)通过绝缘固定件(203)固定于旋转抛物面反射罩(201)一侧，接地电极(204)与高压电极水平同轴固定于旋转抛物面反射罩(201)另一侧，用于水间隙击穿产生高强度激波并向外辐射；

旋转抛物面反射罩(201)，用于使激波经反射后平行汇聚向下传播。

4.根据权利要求3所述的一种基于液电脉冲激波的肉排嫩化装置，其特征在于，高压电极(202)与绝缘固定件(203)之间、接地电极(204)与旋转抛物面反射罩(201)之间通过螺纹旋转固定。

5.根据权利要求1-4任一项所述的一种基于液电脉冲激波的肉排嫩化装置，其特征在于，所述储能单元包括依次连接的高压转换单元(301)、高压电容单元(302)和脉冲压缩单元(303)；

高压转换单元，用于将供电控制单元输入的低压交流电整流为直流高压，对高压电容单元充电；

高压电容单元，用于存储高压转换单元输出的直流高压能量；

脉冲压缩单元，用于在高压电容达到额定值后，触发导通使电容储存能量在瞬间释放到液电脉冲激波发生单元上。

6.根据权利要求1-5任一项所述的一种基于液电脉冲激波的肉排嫩化装置，其特征在于，所述装置还包括肉排传送单元(101)，用于将真空包装的肉排运输至水箱中激波的作用区域进行嫩化，并将嫩化后的肉排输送至水箱出口，实现肉排嫩化流水作业。

7.根据权利要求6所述的一种基于液电脉冲激波的肉排嫩化装置，其特征在于，肉排传送单元的启动与停止由供电控制单元控制。

8.根据权利要求1所述的一种基于液电脉冲激波的肉排嫩化装置，其特征在于，供电控制单元与储水单元相隔设定距离，实现肉排嫩化远程控制。

9.一种基于液电脉冲激波的肉排嫩化方法，其特征在于，包括：

对待嫩化的肉排进行真空包装；

采用液电脉冲激波作用于真空包装的肉排，实现肉排嫩化。

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