CN205280624U - 一种研究电磁场对冻结过程影响的实验平台 - Google Patents

Abstract

一种用于有效研究电磁场对冻结过程影响的实验平台，包括磁场发生装置、磁场测量装置、速冻制冷装置、温度测量装置、图像采集装置、生化特性分析装置和数据处理装置，磁场测量装置、速冻制冷装置、温度测量装置、图像采集装置和生化特性分析装置均与数据处理装置连接，磁场测量装置置于磁场发生装置中。该实验平台结构清晰，能够实现对液态样本和固态样本的冷冻实验，可以用来评价电磁场对于液态样本的过冷、结晶过程的影响，以及分析电磁场对于固态样本的冻结过程的影响，探索和提供电磁场的类型和强度对食品冻结过程影响的定性、定量分析数据，为开展科学研究和为实际应用提供技术支持。

Description

一种研究电磁场对冻结过程影响的实验平台

技术领域

本实用新型涉及一种用于研究电磁场对冻结过程影响的实验平台。

背景技术

制冷与冷藏技术使得食品储存保鲜成为可能，在低温环境下，微生物的呼吸作用会降低，酶的活性也会减弱，实现了温度对微生物和酶的腐败作用的抑制。随着现代科技的不断发展，人们对于生活质量的需求越来越高，对食品在低温下的保存时间和效果提出了新的更高要求。

在低温下生物体的生化活动进行的十分缓慢，细胞处于休眠状态，生物体能够在低温下长期保存，却极易在降温和复温过程中受溶液冻结、融化以及溶液渗透压力变化等因素的作用而受到损伤，主要原因是在“危险0～-60℃温度区”内细胞内极易形成冰晶结构破坏细胞膜活性。冰晶的形成对于生物体的低温保存具有重要的影响，研究其影响因素及规律对于提高食品保鲜的质量有重大意义。

玻璃化保藏技术指当溶液快速降温达到较低温度时，形成的一种高粘度的介于液体和固体之间的一种非晶体的透明的玻璃状态，在此过程中，不产生冰晶结构，分子不重新排列，不发生剧烈运动。通过玻璃化法降温保存细胞时，细胞内外的水都不形成结晶，细胞结构不会受到破坏从而细胞得以存活。

玻璃态的物理性能决定了玻璃化是一种可以减轻冷冻细胞和组织损伤，可长期保存细胞和组织的方法。玻璃化低温保存技术能够有效防止细胞内冰晶机械损伤和溶液损伤，极大地降低生化反应速率，使细胞组织长期保持稳定状态，提高细胞存活率。

由于食品内部热量传递慢，需保存的食品体积较大，且形状不规则，一般无法达到完全玻璃化保存所需要的冷冻速率，只能采用部分玻璃化贮藏，不需特别高的冷冻速率，并通过添加剂提高玻璃化转变温度，但是又带来了食品添加剂的安全问题。

近年来的实验表明，电磁场的生物效应确实存在，电磁场的非热效应是一个研究重点，电磁场通过生物体温度升高的热作用以外的方式改变生理生化过程的效应。研究电磁场的生物效应，辅助快速冷冻实现生物体的低温保存。通过电磁场的生物效应对冷藏保存的食品或生物进行作用，使其能够实现玻璃化低温保存改变以往冷冻过程中食品水分子团的冻结不均匀、细胞易受损，解冻时滴液新鲜度和口感大打折扣的缺点，提高冻结速度，降低能耗，抑制细菌生长。

但是，目前研究利用电磁场辅助快速冷冻技术的理论解释尚不成熟，缺乏有效研究将电磁场生物效应与低温技术进行有效结合以改善低温保存过程中冻结品质的平台。

发明内容

针对目前电磁场对冻结过程影响的研究技术存在的问题，本实用新型提供一种用于有效研究电磁场对冻结过程影响的实验平台。

本实用新型的研究电磁场对冻结过程影响的实验平台，采用如下技术方案：

该实验平台，包括磁场发生装置、磁场测量装置、速冻制冷装置、温度测量装置、图像采集装置、生化特性分析装置和数据处理装置，磁场测量装置、速冻制冷装置、温度测量装置、图像采集装置和生化特性分析装置均与数据处理装置连接，磁场测量装置置于磁场发生装置中。

所述磁场发生装置包括亥姆霍兹线圈和稳压电源，亥姆霍兹线圈与稳压电源连接。稳压电源包括可调直流稳压电源和可调交流稳压电源。通过选择不加电源、加直流稳压电源或者是交流稳压电源，亥姆霍兹线圈可以在两线圈中间的区域形成无磁场、静磁场和交变磁场三种工况。

所述磁场测量装置选用高精度特拉斯计。

所述速冻制冷装置包括液态样本速冻制冷装置和固态样本速冻制冷装置；液态样本速冻制冷装置包括保温槽、器皿和恒温水浴槽，器皿置于保温槽内，恒温水浴槽通过回液管和进液管与保温槽的上下端连接；固态样本速冻制冷装置包括食品速冻库、屏蔽箱和载物台，屏蔽箱放置在食品速冻库内部，屏蔽箱内设置有对照区，屏蔽箱内在对照区的内外各设置一个载物台，对照区外的载物台置于磁场发生装置内。

所述温度测量装置包括热电偶和数据采集仪，热电偶与数据采集仪连接，数据采集仪与数据处理装置连接。热电偶置于液态样本速冻制冷装置的器皿内，对液态样本的过冷、冻结过程进行温度测量，实时地通过热电偶将温度信号用数据采集仪传输到数据处理装置。

所述图像采集装置包括显微镜和摄像头，摄像头置于显微镜上方，摄像头与数据处理装置连接。显微镜置于速冻制冷装置中的液态样本速冻制冷装置上，摄像头拍摄液态样本的结晶生长过程，将采集的视频信息传输到数据处理装置。

所述生化特性分析装置采用质构分析仪，对固态样本在冷冻前和冻结解冻后分别进行生化特性分析。

上述实验平台能够改变磁场类型(无磁场、静磁场、交变磁场)、设置调节电磁场的强度、制冷速度和温度，利用视觉采集系统和图像处理软件获得液态样本(水、生理盐水)冻结过程结晶速度、结晶形状、结晶大小的数据，利用生化特性分析装置获得固态样本(猪肉、牛肉等)冻结前、冻结解冻后的生化特性数据，并利用数据分析软件处理磁场类型、磁场强度数据、制冷速度和温度数据与液态样本结晶速度、结晶形状、结晶大小等数据之间的关系，利用数据分析软件处理磁场类型、磁场强度数据、制冷速度和温度数据与固态样本在冷冻前、冻结解冻后的生化特性数据之间的关系，从而，研究电磁场的类型和强度对液态样本过冷、结晶过程的影响、以及电磁场的类型和强度对固态样本的冻结过程的影响。

本实用新型结构清晰，能够实现对液态样本和固态样本的冷冻实验，可以用来评价电磁场对于液态样本的过冷、结晶过程的影响，以及分析电磁场对于固态样本的冻结过程的影响，探索和提供电磁场的类型和强度对食品冻结过程影响的定性、定量分析数据，为开展科学研究和为实际应用提供技术支持。

附图说明

图1是本实用新型电磁场对冻结过程影响实验平台的结构示意图。

图2是本实用新型中液态样本速冻制冷装置的结构示意图。

图3是本实用新型中固态样本速冻制冷装置的结构示意图。

图中：1、磁场发生装置，2、磁场测量装置，3、样本，4、速冻制冷装置，5、温度测量装置，6、图像采集装置，7、生化特性分析装置，8、数据处理装置，9、亥姆霍兹线圈，10、稳压电源，11、恒温水浴，12、保温槽，13、低温载冷剂，14、进液管，15、回液管，16玻璃器皿，17、液体样本，18、热电偶，19、显微镜，20、摄像头，21、数据采集仪，22、食品速冻库，23、屏蔽箱，24、对照区，25、磁场区，26、载物台，27、固体样本。

具体实施方式

本实用新型的研究电磁场对冻结过程影响的实验平台，如图1所示，包括磁场发生装置1、磁场测量装置2、样本3、速冻制冷装置4、温度测量装置5、图像采集装置6、生化特性分析装置7和数据处理装置8。磁场测量装置2、速冻制冷装置4、温度测量装置5、图像采集装置6和生化特性分析装置7均与数据处理装置8连接。磁场测量装置2采用数字式特斯拉计，在速冻制冷样本3之前，放置在亥姆霍兹线圈1的两线圈中间的区域，离线检测亥姆霍兹线圈9两线圈中间区域的磁场强度。

磁场发生装置1包括亥姆霍兹线圈9和稳压电源10(参见图2和图3)，亥姆霍兹线圈9与稳压电源10连接。稳压电源10为直流稳压电源或交流稳压电源)。通过选择不加电源、加直流稳压电源或者是加交流稳压电源，亥姆霍兹线圈9可以在两线圈中间的区域形成无磁场、静磁场和交变磁场三种工况，以观察不同的磁场类型和磁场强度对过冷度和结晶过程的影响。通过调节直流稳压电源或者交流稳压电源的电压和频率达到调节磁场强度和交变磁场频率的目的。

磁场测量装置2选用高精度特拉斯计。在进行速冻制冷前，将磁场测量装置5放置在亥姆霍兹线圈9中间的速冻制冷区域，读取磁场强度数据。

速冻制冷装置4包括液态样本速冻制冷装置和固态样本速冻制冷装置，液态样本速冻制冷装置用于速冻制冷液态样本17(水或生理盐水等)，固态样本速冻制冷装置用于速冻制冷固态样本27(猪肉或牛肉等)。

如图2所示，液态样本速冻制冷装置包括保温槽12、玻璃器皿16和恒温水浴11，玻璃器皿16置于保温槽12内，恒温水浴槽11通过回液管15和进液管14与保温槽12的上下端连接。保温槽12采用有机玻璃制成，可视化程度高，分成内外双层，内外层之间抽成真空保温或充入氮气隔热，从而防止外界热空气接触低温的有机玻璃出现水雾，影响结晶过程的拍摄，同时也能起到一定程度的隔热效果。保温槽12的内层中充有-15℃的低温载冷剂13(乙二醇溶液)，通过进液管14和回液管15循环流动。将液态样本17倒入洁净的玻璃器皿16中。通过进液管14和回液管15将低温载冷剂13作为在恒温水浴槽11和保温槽12的内层之间循环流动换热降温。将整个液态样本速冻制冷装置置于亥姆霍兹线圈9的两线圈中间的区域，离线检测亥姆霍兹线圈9两线圈中间区域的磁场强度。

如图3所示，固态样本速冻制冷装置包括铁皮制作的屏蔽箱23和载物台26，屏蔽箱23放置在食品速冻库22内部。屏蔽箱23内设置有对照区24和磁场区25，屏蔽箱23内在对照区24和磁场区均设置一个载物台26，两个载物台26上放置两份体积、肉质相同的固态样本27，一个载物台在亥姆霍兹线圈的磁场区25内，另一个载物台处于对照区24内。对于固态样本27采用冷冻空气式冻结，食品速冻库22是小型鼓风式速冻库，采用双级压缩制冷系统。

温度测量装置5包括热电偶18和数据采集仪21，热电偶18置于玻璃器皿16内，热电偶18与数据采集仪21连接，应用数据采集仪21对液态样本17的过冷、冻结过程进行温度测量，实时地通过热电偶18将温度信号用数据采集仪21传输到数据处理装置8，进行处理和分析。

图像采集装置6包括显微镜19和摄像头20，显微镜19置于保温槽12上端，摄像头20置于显微镜19上方，摄像头20与数据处理装置8连接。由于液态样本17在冻结过程中，结晶生长很快，无法用肉眼精确捕捉观察，本实验平台采用显微镜19和摄像头20相结合，拍摄液态样本17的结晶生长过程，通过视频采集卡将摄像头20采集的视频信息传输到数据处理装置8。

生化特性分析装置7采用质构分析仪，对固态样本27在冷冻前和冻结解冻后分别进行生化特性分析，如质地测试、感观测试和微生物活性测试分析，进行质地测试时采用的是质构分析仪，可检测食品的硬度、嫩度、胶粘性、回复性、弹性系数、粘附度、松弛、柔软性、咀嚼性等众多参数。

数据处理装置8采用计算机。数据处理装置8接收来自磁场测量装置2(高精度特拉斯计)获取的磁场强度数据、温度测量装置5获取的玻璃器皿16和食品速冻库22内的温度数据、显微镜19和摄像头20采集的液态样本19冻结过程中结晶视频信息、生化特性分析装置7(质构分析仪)获取的固态样本27的食品硬度、嫩度、胶粘性、回复性、弹性系数、粘附度、松弛、柔软性、咀嚼性等数据。对这些数据综合进行处理和分析。

对于液态样本17，利用图像采集装置6获得的液态样本17在冻结过程中结晶生成的图像，获得结晶速度、结晶形状、结晶大小等数据，并通过数据分析处理磁场类型、磁场强度数据、制冷速度和温度数据与液态样本结晶速度、结晶形状、结晶大小等数据之间的关系。

对于固态样本27，处理磁场类型、磁场强度数据、制冷速度和温度数据与固态样本27的硬度、嫩度、胶粘性、回复性、弹性系数、粘附度、松弛、柔软性、咀嚼性等众多参数之间的关系。

从而，分析电磁场对于液态样本17的过冷、结晶过程的影响，以及分析电磁场对于固态样本27的冻结过程的影响。

Claims (5)

1.一种研究电磁场对冻结过程影响的实验平台，其特征是，包括磁场发生装置、磁场测量装置、速冻制冷装置、温度测量装置、图像采集装置、生化特性分析装置和数据处理装置，磁场测量装置、速冻制冷装置、温度测量装置、图像采集装置和生化特性分析装置均与数据处理装置连接，磁场测量装置置于磁场发生装置中。

2.根据权利要求1所述的研究电磁场对冻结过程影响的实验平台，其特征是，所述磁场发生装置包括亥姆霍兹线圈和稳压电源，亥姆霍兹线圈与稳压电源连接。

3.根据权利要求1所述的研究电磁场对冻结过程影响的实验平台，其特征是，所述速冻制冷装置包括液态样本速冻制冷装置和固态样本速冻制冷装置；液态样本速冻制冷装置包括保温槽、器皿和恒温水浴槽，器皿置于保温槽内，恒温水浴槽通过回液管和进液管与保温槽的上下端连接；固态样本速冻制冷装置包括食品速冻库、屏蔽箱和载物台，屏蔽箱放置在食品速冻库内部，屏蔽箱内设置有对照区，屏蔽箱内在对照区的内外各设置一个载物台，对照区外的载物台置于磁场发生装置内。

4.根据权利要求1所述的研究电磁场对冻结过程影响的实验平台，其特征是，所述温度测量装置包括热电偶和数据采集仪，热电偶与数据采集仪连接，数据采集仪与数据处理装置连接。

5.根据权利要求1所述的研究电磁场对冻结过程影响的实验平台，其特征是，所述图像采集装置包括显微镜和摄像头，摄像头置于显微镜上方，摄像头与数据处理装置连接。