RU2778148C1 - Способ бескристаллического замораживания водосодержащих продуктов питания - Google Patents
Способ бескристаллического замораживания водосодержащих продуктов питания Download PDFInfo
- Publication number
- RU2778148C1 RU2778148C1 RU2021131831A RU2021131831A RU2778148C1 RU 2778148 C1 RU2778148 C1 RU 2778148C1 RU 2021131831 A RU2021131831 A RU 2021131831A RU 2021131831 A RU2021131831 A RU 2021131831A RU 2778148 C1 RU2778148 C1 RU 2778148C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- electric field
- water
- field
- matrices
- freezing
- Prior art date
Links
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 75
- 238000007710 freezing Methods 0.000 title claims abstract description 62
- 235000013305 food Nutrition 0.000 title claims abstract description 53
- 230000005684 electric field Effects 0.000 claims abstract description 79
- 230000003068 static Effects 0.000 claims abstract description 44
- 230000000051 modifying Effects 0.000 claims abstract description 24
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims abstract description 18
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims abstract description 16
- 238000005755 formation reaction Methods 0.000 claims abstract description 16
- 125000004122 cyclic group Chemical group 0.000 claims abstract description 10
- 230000003334 potential Effects 0.000 claims abstract description 5
- 235000013611 frozen food Nutrition 0.000 claims abstract description 4
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 claims description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 12
- 238000002425 crystallisation Methods 0.000 abstract description 9
- 230000005712 crystallization Effects 0.000 abstract description 9
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 8
- 238000005057 refrigeration Methods 0.000 abstract 1
- 239000012071 phase Substances 0.000 description 16
- 238000000034 method Methods 0.000 description 14
- 210000004027 cells Anatomy 0.000 description 10
- 239000003507 refrigerant Substances 0.000 description 10
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 8
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 7
- 241000220223 Fragaria Species 0.000 description 5
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 5
- 235000021012 strawberries Nutrition 0.000 description 5
- 240000000019 Diospyros kaki Species 0.000 description 4
- 235000011508 Diospyros virginiana Nutrition 0.000 description 4
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 4
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 4
- 238000010257 thawing Methods 0.000 description 4
- 210000001519 tissues Anatomy 0.000 description 4
- 230000001413 cellular Effects 0.000 description 3
- 210000003850 cellular structures Anatomy 0.000 description 3
- 235000013594 poultry meat Nutrition 0.000 description 3
- 241000287828 Gallus gallus Species 0.000 description 2
- 229940029983 VITAMINS Drugs 0.000 description 2
- 229940021016 Vitamin IV solution additives Drugs 0.000 description 2
- 150000001720 carbohydrates Chemical class 0.000 description 2
- 235000014633 carbohydrates Nutrition 0.000 description 2
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 2
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 2
- 235000013330 chicken meat Nutrition 0.000 description 2
- 230000000875 corresponding Effects 0.000 description 2
- 230000004059 degradation Effects 0.000 description 2
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 description 2
- 238000006297 dehydration reaction Methods 0.000 description 2
- 230000036425 denaturation Effects 0.000 description 2
- 238000004925 denaturation Methods 0.000 description 2
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 2
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 210000000056 organs Anatomy 0.000 description 2
- 230000003534 oscillatory Effects 0.000 description 2
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 2
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 2
- 238000004321 preservation Methods 0.000 description 2
- 230000002265 prevention Effects 0.000 description 2
- 102000004169 proteins and genes Human genes 0.000 description 2
- 108090000623 proteins and genes Proteins 0.000 description 2
- 235000013343 vitamin Nutrition 0.000 description 2
- 239000011782 vitamin Substances 0.000 description 2
- 229930003231 vitamins Natural products 0.000 description 2
- 210000004369 Blood Anatomy 0.000 description 1
- 241000723267 Diospyros Species 0.000 description 1
- 235000011511 Diospyros Nutrition 0.000 description 1
- 241000196324 Embryophyta Species 0.000 description 1
- 210000001723 Extracellular Space Anatomy 0.000 description 1
- NIXOWILDQLNWCW-UHFFFAOYSA-N acrylic acid group Chemical group C(C=C)(=O)O NIXOWILDQLNWCW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000011543 agarose gel Substances 0.000 description 1
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 description 1
- 230000006399 behavior Effects 0.000 description 1
- 235000021028 berry Nutrition 0.000 description 1
- 230000033558 biomineral tissue development Effects 0.000 description 1
- 239000008280 blood Substances 0.000 description 1
- 238000007664 blowing Methods 0.000 description 1
- 238000004581 coalescence Methods 0.000 description 1
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 1
- 230000001066 destructive Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 1
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 1
- 239000012153 distilled water Substances 0.000 description 1
- 235000013399 edible fruits Nutrition 0.000 description 1
- 230000005672 electromagnetic field Effects 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000007667 floating Methods 0.000 description 1
- 230000004927 fusion Effects 0.000 description 1
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 1
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 1
- PEDCQBHIVMGVHV-UHFFFAOYSA-N glycerine Chemical compound OCC(O)CO PEDCQBHIVMGVHV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000000265 homogenisation Methods 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000825 pharmaceutical preparation Substances 0.000 description 1
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 description 1
- 239000002689 soil Substances 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 239000007790 solid phase Substances 0.000 description 1
- 238000004781 supercooling Methods 0.000 description 1
- 239000000725 suspension Substances 0.000 description 1
- 239000011374 ultra-high-performance concrete Substances 0.000 description 1
- 238000002604 ultrasonography Methods 0.000 description 1
- 230000035899 viability Effects 0.000 description 1
Images
Abstract
Изобретение относится к области замораживания продуктов питания и предназначено для предотвращения кристаллизации воды в продуктах питания при фазовом переходе вода-лед. Предложен способ замораживания водосодержащих продуктов питания, который включает в себя быстрое охлаждение продукта питания, которое начинают с одновременным созданием вокруг замораживаемого продукта питания неоднородного переменного электрического поля, при этом неоднородное переменное электрическое поле создается с помощью матриц электродов, а управление направлениями, скоростью и характером перемещений статичных градиентов напряженности электрического поля в каждой точке поля осуществляют посредством организации возвратно-поступательных циклов перемещения областей статичного градиента напряженности электрического поля вдоль горизонтальной плоскости охлаждаемого объекта, в течение всего периода фазового перехода вода-лед посредством включения потенциалов электродов на матрицах модулятора поля, управление направлениями, скоростью и характером перемещений статичных градиентов напряженности электрического поля организует циклическое движение диполей воды по замкнутым траекториям с образованием стеклообразного льда, не содержащего кристаллов, при этом воздействие неоднородным переменным электрическим полем осуществляют до момента завершения фазового перехода вода-лед, определяемого по снижению электропроводности продукта питания, а быстрое охлаждение продолжают до достижения продуктом питания температуры хранения, заданной в диапазоне от -15°С до -20°С, при этом расстояние между матрицами модулятора поля от 50 до 150 мм, шаг электродов в матрицах модулятора поля составляет 10 мм, а циклическая частота перемещения областей статичного градиента напряженности электрического поля составляет от 20 до 100 Гц. Кроме того, неоднородное электрическое поле создается с помощью плоскостных или объемных матриц модулятора поля. Электроды матриц модулятора поля могут быть точечными, линейными или плоскостными. Напряжение на электродах матриц модулятора поля - от 3 до 70 кВт. Частота переменного поля - от 1 кГц до 20 кГц. Каждая смена направления перемещения статичных градиентов напряженности электрического поля сопровождается инверсией областей статичных градиентов электрического поля на 180 градусов. Изобретение направлено на обеспечение полного предотвращения образования кристаллов льда при замораживании продуктов питания, быстрого и эффективного теплоотвода от продукта питания, длительного сохранения органолептических свойств и физико-химических характеристик продуктов питания как объектов замораживания. 5 з.п. ф-лы, 7 ил., 3 табл.
Description
Заявляемое изобретение относится к области замораживания продуктов питания и предназначено для предотвращения кристаллизации воды в продуктах питания органического и неорганического происхождения при фазовом переходе вода-лед.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
На протяжении многих десятилетий усилия по оптимизации процессов замораживания объектов органического и неорганического происхождения были направлены на уменьшение размеров образующихся при замораживании кристаллов льда вплоть до предотвращения их образования.
Разностью плотностей воды и льда объясняется разрушительное воздействие кристаллизации на внутренние структуры биологических объектов и продуктов органического и неорганического происхождения при снижении их температур ниже температур фазового перехода воды в свободном и связанном состояниях. Образующиеся внутри клеток и в суспензии межклеточного пространства кристаллы льда создают механическую напряженность из-за увеличения внутреннего объема. Процессы неизбежного срастания первичных кристаллов и их дальнейшего роста (за счет дегидратации прилегающих к кристаллам тканей) приводят к полному или частичному механическому разрушению клеточных и межклеточных структур. Одновременно повышаются концентрации растворенных веществ, и воздействие этих концентраций на матрицу продукта приводит в процессе хранения к денатурации белков, окислению жиров, разрушению углеводов, витаминов и, соответственно, к деградации органолептических свойств исходного продукта.
Для контроля образования льда и степени его зернистости в рассмотренных прототипах применялись различные стратегии, такие, как понижение температуры охлаждения, повышение коэффициента передачи поверхностного тепла, высокое давление, ультразвук, электрические и магнитные поля.
В последние годы проводилось множество исследований, в которых авторы пытаются воспользоваться воздействием магнитных и электрических полей на свойства воды для улучшения процессов замораживания продуктов питания, кубиков льда, живых клеток (например, крови, тканей животных и органов), растений, а также химических и фармацевтических продуктов. Согласно опубликованным источникам, основным преимуществом магнитных и электрических полей при замораживании является достижение большого переохлаждения воды в образце до возникновения центров кристаллизации льда. Таким образом, когда начинается кристаллизация, ее скорость настолько высока, что мгновенно образуются множество крошечных кристаллов льда, и ущерб, нанесенный кристаллизацией объекту замораживания, как предполагается исследователями, будет существенно уменьшен. Кроме того, поля способны не только увеличить переохлаждение, но и повысить темп охлаждения во время процесса замораживания.
Авторами настоящего изобретения были обнаружены различные статьи в научно-технических и информационных источниках, касающиеся рассматриваемой проблематики.
Так, согласно коммерческой рекламе, как CAS, так и морозильники "Протон" способны генерировать крошечные кристаллы льда по всему замороженному продукту, предотвращать разрушение клеток и сохранять качество свежего продукта нетронутым после оттаивания (ABI Co. 2007; IFP Ltd. 2015).
Также, можно перечислить статьи: Сороко О., Усеня Ю. «Анализ способов замораживания пищевых продуктов», Наука и инновации, 2011 https://cyberleninka.ru/article/n/analiz-sposobov-zamorazhivaniya-pischevyh-produktov/viewer), в которой раскрыто, что замораживание - процесс понижения температуры продукта ниже криоскопической на 10-30 °С, сопровождаемый переходом в лед содержащейся в нем влаги, Effects of high-voltage electric field produced by an improved electrode system on freezing behaviors and selected properties of agarose gel, в которой раскрыта работа, направленная на оценку влияния электрического поля высокого напряжения (HVEF), создаваемого усовершенствованной электродной системой (https://www.sciencedirect.com/ science/article/abs/pii/S0260877419300780), Effects of ultrahigh permittivity ceramic on water freezing by high voltage electric field-assisted freezing system, в которой приведены результаты исследования влияния керамики со сверхвысокой диэлектрической проницаемостью (UHPC) на замерзание воды были разработаны высоковольтная система замораживания с помощью электрического поля на основе UHPC (UHPC-HVEFF) и высоковольтная система замораживания с помощью электрического поля на основе акрила с низкой диэлектрической проницаемостью (LPA-HVEFF) (https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0140700721000840), и т.д.
Магнитная заморозка пробудила большой интерес в научной среде, однако результаты, опубликованные в литературе, часто явно противоречивы, а некоторые факторы, которые играют роль в магнитной заморозке, не рассматриваются. К тому же чрезвычайно низкая сила применяемых полей ставит под сомнение влияние, которое эти слабые поля могут иметь на воду.
В патентной литературе авторами настоящего изобретения также были выявлены несколько источников, относящиеся к процессу замораживания в условиях воздействия магнитных и электрических полей.
Воздействие магнитных полей на молекулы воды также описано в патентном документе RU2669644C1, дата публикации 12.10.2018. В частности, раскрыто, что при действии переменного магнитного поля генератором на жидкий хладагент происходит усиление поляризации его молекул, что влечет за собой повышение теплоемкости, энтальпии хладагента, а также его диффузионных свойств. Внешнее переменное магнитное поле от генератора, действуя на поляризованные молекулы хладагента (диполи, триполи, квадриполи и т.д.), порождают силу Лоренса, благодаря которой возникают гидродинамические колебания различной частоты. В результате этого меняется плотность растворенных газов и доля кавитационных разрывов в объеме жидкости. Тепло, полученное хладагентом от испарителя, релаксируется (расходуется) на гомогенизацию газожидкостной среды хладагента как в фазовом, так и в плотностном аспектах, это ведет к интенсификации отвода тепла из охлаждаемого грунта Q. Переменное магнитное поле, создаваемое генератором, влияет на процессы массопереноса и массообмена в вязкотекучей жидкости (хладагенте). Молекулы хладагента и их ассоциаты, гидратированные ионы, совершают беспрерывные колебательные движения, которым соответствует определенный энергетический уровень. При воздействии на эту осциллирующую систему переменного магнитного поля оптимальной частоты возможен резонанс с определенной группой молекул и ассоциатов с возникновением квантов, энергии, способных изменять структурную характеристику хладагента и соответственно его физические свойства: повышение энтальпии mi×qi и увеличение энтропии dq/dt°.
Однако устройство не предназначено для отведения тепла из объема продуктов питания.
Кроме того, известен (RU2270407C2, дата публикации 20.02.2006) способ быстрого охлаждения предусматривает понижение температуры воздуха вокруг объекта замораживания до -30...-100°С и приложение к нему однонаправленного магнитного поля. На объект воздействуют потоком воздуха, имеющим скорость 1...5 м/с. На этот поток воздуха накладывают звуковую волну слышимого частотного диапазона. Возможно приложение электрического поля к объекту замораживания. Установка содержит морозильник, способный понизить температуру до -30...-100°С, генератор пульсирующего магнитного поля, вентилятор для циркуляции холодного воздуха в морозильнике, генератор звуковой волны. Для прикладывания электрического поля интенсивностью 100...1000 кВ/м к центральной части морозильника установка содержит генератор электрического поля. Генератор пульсирующего магнитного поля включает постоянные магниты для прикладывания статического магнитного поля к центральной части морозильника с интенсивностью заданного опорного уровня и электромагнитные катушки для приложения пульсирующего магнитного поля, которое пульсирует в пределах предварительно заданного диапазона относительно статического магнитного поля в центральной части морозильника.
Вышеописанный способ уменьшает размеры кристаллов льда в поликристаллической структуре замороженной воды, но не предотвращает их возникновение в процессе замораживания, а также срастание и дальнейший рост за счет присоединения молекул связанной воды в процессе хранения. Кроме того, при применении вышеописанного метода быстрого замораживания в процессе длительного хранения происходит разрушение клеточной структуры объектов.
Наиболее близким аналогом настоящего изобретения является известное решение (WO/2003/038355, дата публикации 08.05.2003), раскрывающее высокоэффективное морозильное устройство и способ высокоэффективного замораживания. Объект, размещенный во внутреннем пространстве морозильной камеры, быстро охлаждается до заданной температуры с предотвращением замерзания воды при приложении к объекту осциллирующего электрического поля, предпочтительно переменной частоты в диапазоне от 50 Гц до 5 МГц и/или магнитного поля, или дополнительного ионного воздуха, и затем объект мгновенно замораживают при заданной температуре. Предпочтительно магнитное поле представляет собой статическое магнитное поле и/или переменное магнитное поле. Средство генерирования переменного магнитного поля включает в себя множество блоков электромагнитной катушки, каждый из которых включает в себя основание катушки для формирования катушки и электромагнитную катушку, образованную из высокопроводящей проволоки, намотанной вокруг основания, причем катушка герметизирована компаундирующим компаундом. Блоки электромагнитной катушки расположены параллельно, последовательно или поперечно вдоль держателя так, чтобы находиться поперек держателя, или таким образом, чтобы окружать или сэндвич держатель. Таким образом, на объект, подлежащий замораживанию или подвергнутый другим обработкам, может быть приложено переменное магнитное поле с равномерной интенсивностью.
Недостатком известного решения является то, что при раскрытом способе при температуре ниже - 10°C кристаллы льда все равно образуются, а в патентном документе отсутствуют какие-либо фактические данные, подтверждающие отсутствие в продукте кристаллов льда после заморозки, и тем более после хранения и разморозки.
Кроме того, недостатками анализируемого наиболее близкого аналога можно указать то, что вышеописанный способ уменьшает размеры кристаллов льда в поликристаллической структуре замороженной воды, но не предотвращает их возникновение в процессе замораживания, а также их срастание и дальнейший рост за счет присоединения молекул связанной воды в процессе хранения. Процессы неизбежного срастания первичных кристаллов и их дальнейшего роста (за счет дегидратации прилегающих к кристаллам тканей замороженного объекта) приводят к полному или частичному механическому разрушению клеточных и межклеточных структур.
При этом одновременно с образованием кристаллов льда повышаются концентрации растворенных веществ, и воздействие этих концентраций (крио-концентрации) на матрицу продукта приводит в процессе хранения к денатурации белков, окислению жиров, разрушению углеводов, витаминов и, соответственно, к деградации органолептических свойств исходного продукта.
Также, следует указать, что в наиболее близком аналоге не раскрыты физические и биологические механизмы воздействия магнитных полей на процесс образования кристаллов льда. Нет каких-либо обоснований, что декларируемые эффекты уменьшения кристаллов льда являются следствием воздействия на продукт магнитных полей. Кроме того, при применении вышеописанного метода быстрого замораживания в сфере биологии и биомедицины разрушение клеточной структуры в процессе хранения не обеспечивает жизнеспособности клеток, тканей, органов и биологических объектов.
Проведенный анализ уровня техники показал, что, по-прежнему, существует необходимость создания способа бескристаллической заморозки для полного предотвращения образования кристаллов льда при замораживании продуктов питания органического и неорганического происхождения. Задачей является предотвращение повреждения кристаллами льда клеточной структуры органических продуктов и потери ими потребительских свойств при дальнейшем размораживании. Таким образом, необходимо устранить все приведенные недостатки известных решений.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Техническим результатом, на достижение которого направлены предлагаемые решения, является:
- обеспечение полного предотвращения образования кристаллов льда при замораживании продуктов питания органического и неорганического происхождения,
- обеспечение быстрого и эффективного теплоотвода от продукта питания,
- обеспечение длительного сохранения органолептических свойств и физико-химических характеристик объектов замораживания.
Технические результаты достигаются тем, что разработан способ замораживания водосодержащих продуктов питания органического и неорганического происхождения, характеризующийся тем, что включает в себя быстрое охлаждение продукта питания, которое начинают с одновременным созданием вокруг замораживаемого продукта питания неоднородного переменного электрического поля, при этом неоднородное переменное электрическое поле создается с помощью матриц электродов, а управление направлениями, скоростью и характером перемещений статичных градиентов напряженности электрического поля в каждой точке поля осуществляют в течение всего периода фазового перехода вода-лед посредством включения потенциалов электродов на матрицах модулятора поля, управление направлениями, скоростью и характером перемещений статичных градиентов напряженности электрического поля организует циклическое движение диполей воды по замкнутым траекториям с образованием стеклообразного льда, не содержащего кристаллов, при этом воздействие неоднородным переменным электрическим полем осуществляют до момента завершения фазового перехода вода-лед, определяемого по снижению электропроводности продукта питания, а быстрое охлаждение продолжают до достижения продуктом питания температуры хранения, заданной в диапазоне от -15°С до -20°С.
Неоднородное электрическое поле создается с помощью плоскостных или объемных матриц модулятора поля. Электроды матриц модулятора поля могут быть точечными, линейными или плоскостными. Шаг электродов в матрицах модулятора поля составляет не менее 5 мм. Расстояние между матрицами модулятора поля от 20 до 1500 мм.
Напряжение на электродах матриц модулятора поля от 3 до 70 кВт. Частота переменного поля от 1 кГц до 20 кГц.
Управление направлениями, скоростью и характером перемещений статичных градиентов напряженности электрического поля в каждой точке поля осуществляют посредством организации возвратно-поступательных циклов перемещения областей статичного градиента напряженности электрического поля вдоль горизонтальной плоскости охлаждаемого объекта.
Циклическая частота перемещения областей статичного градиента напряженности электрического поля составляет от 5 до 150 Гц.
Каждая смена направления перемещения статичных градиентов напряженности электрического поля сопровождается инверсией областей статичных градиентов электрического поля на 180 градусов.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На Рис. 1 схематически показана организация областей статичных градиентов напряженности переменного электрического поля.
На Рис. 2 представлена схема динамического управления локальными областями статичных градиентов напряженности переменного электрического поля.
На Рис. 3 показано положение диполя воды и траектория его движения в различных фазах перемещения локальных областей статичных градиентов напряженности переменного электрического поля.
На Рис. 4 представлен температурный график фазового перехода вода-лед под воздействием статичных градиентов напряженности переменного электрического поля и без воздействия при замораживании воды.
На Рис. 5 представлен температурный график фазового перехода вода-лед под воздействием статичных градиентов напряженности переменного электрического поля и без воздействия при замораживании земляники.
На Рис. 6 представлен температурный график фазового перехода вода-лед под воздействием статичных градиентов напряженности переменного электрического поля и без воздействия при замораживании хурмы.
На Рис. 7 представлен температурный график фазового перехода вода-лед под воздействием статичных градиентов напряженности переменного электрического поля и без воздействия при замораживании мяса птицы.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Предлагаемым изобретением является способ бескристаллического замораживания водосодержащих продуктов питания органического и неорганического происхождения, включающий в себя быстрое охлаждение продукта питания и создание вокруг замораживаемого продукта питания неоднородного переменного электрического поля.
Быстрое охлаждение может быть осуществлено любым обычно применяемым в рассматриваемой области техники способом в зависимости от специфики продукта: охлаждение в газообразном хладагенте (например, холодным воздухом и т.д.), охлаждение в жидком хладагенте (например, холодной водой или спиртом, жидким азотом и т.д.).
Быстрое охлаждение начинают осуществлять одновременно с созданием вокруг замораживаемого продукта питания неоднородного переменного электрического поля.
Неоднородное электрическое поле создается с помощью плоскостных или объемных матриц модулятора поля. Электроды матриц модулятора поля могут быть точечными, линейными или плоскостными. Шаг электродов в матрицах модулятора поля составляет не менее 5 мм. Расстояние между матрицами модулятора поля от 20 до 1500 мм.
Напряжение на электродах матриц модулятора поля от 3 до 70 кВт. Частота переменного поля от 1 кГц до 20 кГц.
Неоднородное переменное электрическое поле характеризуется статичными градиентами напряженности электрического поля в каждой точке поля, управляемое перемещение областей которых организует циркуляцию диполей воды по замкнутым траекториям.
Каждая область статичного градиента напряженности электрического поля представляет собой конус, обращенный вершиной к электроду. На Рис. 1 и 2 показано плоскостное отображение конуса области статичного градиента напряженности электрического поля – треугольник.
Управление изменениями направления, скорости и характера перемещений статичных градиентов напряженности электрического поля относительно продукта питания производится посредством поочередного включения потенциалов электродов на матрицах модулятора поля (Рис. 2 и 3). Образованное таким образом циклическое движение диполей воды по замкнутым траекториям (вихревое движение групп молекул воды) создает эффект вязкости, что приводит к образованию твердого льда со стеклообразной бескристаллической структурой.
Таким образом, согласно предлагаемому изобретению управление направлениями, скоростью и характером перемещений статичных градиентов напряженности электрического поля в каждой точке поля осуществляют посредством организации возвратно-поступательных циклов перемещения областей статичного градиента напряженности электрического поля вдоль горизонтальной плоскости охлаждаемого объекта. Циклическая частота перемещения областей статичного градиента напряженности электрического поля составляет от 5 до 150 Гц.
В одном цикле перемещения областей статичного градиента напряженности электрического поля величина пошагового (один шаг – минимальное расстояние между электродами) равномерного поступательного перемещения равна половине ширины области, величина пошагового возвратного перемещения – половине ширины области за вычетом минимального расстояния между электродами в матрице. За одну секунду смещение точки начала цикла по горизонтали составляет, соответственно, от 5 до 150 матричных расстояний между электродами. Каждая смена направления перемещения статичных градиентов напряженности электрического поля сопровождается инверсией областей статичных градиентов переменного электрического поля на 180 градусов.
Области статичных градиентов напряженности электрического поля перемещаются относительно объекта замораживания (продукта питания органического или неорганического происхождения) с помощью подачи потенциалов на электроды для создания вихревого группового движения дипольных молекул воды в объеме объекта. В результате, диполь воды под действием статичных градиентов напряженности перемещается по циклической траектории (Рис. 3).
Инверсия областей статичного градиента переменного электрического поля внутри возвратно-поступательного цикла при смене направления их перемещения и смещение точки начала цикла в направлении поступательного перемещения после каждого цикла позволяет охватить вихревым движением все диполи воды. Частота цикла и шаг смещения формирует различные режимы вихревого движения и влияют на размеры конвективных ячеек (конвективная ячейка – замкнутая траектория диполя (или группы диполей) воды) и степень интенсивности их энергетического взаимодействия (передача тепла изнутри водного раствора к его поверхности). Чем меньше размер локальных областей поля, то есть чем меньше шаг между электродами, тем больше в жидкой среде объекта замораживания количество конвективных молекулярных ячеек воды. Чем выше скорость перемещения локальных областей статичных градиентных полей относительно объекта, тем меньше размеры этих конвективных ячеек. Размер и количество конвективных ячеек определяется спецификой продукта питания. Чем выше процент содержания воды в продукте, тем ниже скорость перемещения локальных областей и больше размер конвективных ячеек.
Воздействие на продукт питания статичными градиентами напряженности электрического поля, движущимися относительно продукта питания, а также управление направлениями, скоростью и характером их перемещений осуществляется на протяжении всего фазового перехода вода-лед.
Момент окончания воздействия неоднородным переменным электрическим полем на продукт питания определяется моментом завершения фазового перехода вода-лед, который, в свою очередь, определяется по снижению электропроводности продукта питания.
Общеизвестно, что электрическая проводимость льда весьма мала и во много раз меньше электрической проводимости воды. Так, удельная электропроводность у дистиллированной воды составляет примерно от 10ˉ5 См/м до порядка 3,33 См/м (в зависимости от степени минерализации воды), тогда как у льда данный показатель составляет от 0,27·10ˉ7 См/м до 0,52·10ˉ7 См/м (в зависимости от температуры льда).
После завершения фазового перехода вода-лед, т.е. окончания воздействия неоднородным переменным электрическим полем на продукт питания, быстрое охлаждение продолжают до достижения продуктом питания температуры хранения, заданной в диапазоне от -15°С до -20°С.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Проверка реализуемости изобретения была проведена в серии экспериментов по замораживанию следующих водосодержащих продуктов питания: вода, ягоды (земляника), фрукты (хурма), мясо птицы (курица). Приведенные ниже варианты осуществления изобретения являются частными случаями заявленного изобретения и не ограничивают объем притязаний.
Серия экспериментов с водой проводилась при следующих условиях: образцы замораживались в стеклянных пробирках емкостью 20 мл, диаметр пробирки 12 мм, объем воды в пробирках – 10 мл. Охлаждение производилось обдувом охлажденным воздухом.
Одна пробирка с водой помечалась как контрольная и подвергалась обычному замораживанию. Остальные пробирки с водой замораживались предлагаемым в настоящем изобретении способом.
Момент окончания воздействия электрическим полем на продукт определялся путем измерения электропроводности. При падении электропроводности до 5 мкСм/см воздействие полем прекращалось (вода полностью перешла в твердую фазу). Измерение электропроводности проводилось кондуктометром компании Valagro.
Условия испытаний с водой и с водосодержащими продуктами питания органического происхождения приведены в Таблице 1.
Таблица 1
| Наименование показателя | Наименование продукта | |||
| Вода | Земляника | Хурма | Куриное мясо | |
| Электропроводность при 20°С, мкСм/см | 86 | 267 | 382 | 1045 |
| Электропроводность продукта на момент отключения поля, мкСм/см | 5 | 5 | 5 | 5 |
| Тип матрицы | Плоскостная | Плоскостная | Плоскостная | Объемная |
| Тип электродов | Точечные | Линейные | Плоскостные | Точечные |
| Расстояние между матрицами, мм | 50 | 100 | 100 | 150 |
| Шаг электродов, мм | 10 | 10 | 10 | 10 |
| Напряжение на электродах, кВт | 1 | 2 | 2 | 3 |
| Частота переменного поля, кГц | 3 | 3 | 3 | 3 |
| Геометрия областей электромагнитного поля | Конус | Конус | Конус | Конус |
| Циклическая частота перемещения областей, Гц | 20 | 50 | 50 | 100 |
| Тип морозильного устройства | Apach SH10 | Apach SH10 | Apach SH10 | Apach SH10 |
| Мощность морозильного устройства, кВт | 1,6 | 1,6 | 1,6 | 1,6 |
Результаты экспериментов свидетельствуют о том, что ориентация вдоль силовых линий и вихревое (разнонаправленное ячеистое) движение дипольных молекул по замкнутым траекториям придают воде (Рис. 4) и другим водосодержащим продуктам питания (Рис. 5-7) свойство вязкости и препятствуют стремлению молекул занять энергетически выгодное место в узле гексагональной решетки льда.
При сопровождении процесса отвода тепла данным образом управляемым переменным электрическим полем вода в водосодержащих продуктах питания органического и неорганического происхождения замерзает без образования кристаллической решетки. Фактически, вода густеет и затвердевает под воздействием переменного электрического поля при снижении температуры от -2°С до -8°С.
Из Рис. 4 наглядно видно, что под воздействием электрического поля, температура охлаждаемой воды уменьшается быстрее, чем без воздействия, проходит температуру 0°С, затем плавно снижается до -2°С. При температуре от -2°С до -8°С вода постепенно твердеет без образования кристаллов. Затем температура экспоненциально снижается до -18,2°С. При этом в контрольной пробирке вода плавно охлаждается до 0°С, затем в течение 6 мин температура воды не меняется. В это время идет процесс кристаллизации. После завершения процесса кристаллизации температура вновь начинает снижаться.
Результаты замораживания продукта питания неорганического происхождения (воды) иллюстрируются физико-химическими свойствами воды, замороженной в контрольной пробирке и согласно предлагаемому в настоящем изобретении способом. Физико-химические свойства приведены в Таблице 2, дополненной свойствами незамороженной воды.
Таблица 2
| Наименование показателя | Незамороженная вода (вода при 0,01°С) | Контрольная пробирка (обычный лед из воды при 0°С) | Бескристаллический лед из воды при 0°С |
| Плотность, кг/м3 | 999,8 | 916,2 | 1002,3 |
| Теплоемкость, Дж/(кг град) | 4212 | 2050 | 3513 |
| Теплопроводность Вт/(м град) | 0,560 | 2,22 | 0,65 |
| Температура замерзания (твердения),град | 0 | 0 | -2 … -8 |
| Теплота плавления (кристаллизации), кДж/кг | 330 | 330 | 281 |
Анализ экспериментальных данных показывает, что физические характеристики бескристаллического льда резко отличаются от обычного льда. Прежде всего, плотность льда после твердения не падает (как у обычного льда), а возрастает. Это происходит в связи с уменьшением амплитуды колебательных движений молекул воды в бескристаллическом льде в сравнении с водой. Таким образом, бескристаллический лед тонет в воде, а не плавает, как обычный лед. Теплоемкость и теплопроводность бескристаллического льда ближе к характеристикам воды, чем к параметрам обычного льда. Это позволяет гораздо быстрее и эффективнее отводить от объекта замораживания тепло и, следовательно, быстрее и с меньшими затратами замораживать. Достижение электропроводности значения в 5 мкСм/см позволяет сделать вывод о завершении фазового перехода вода-лед и прекратить воздействие электрическим полем на продукт.
Радикальное отличие физических характеристик бескристаллического льда от обычного льда позволяет говорить об образовании стеклообразного льда, при этом бескристаллический лед получен при атмосферном давлении в объемах, соответствующих размерам продуктов питания.
Условия и результаты испытаний с водосодержащими продуктами питания органического происхождения приведены в Таблице 3.
Таблица 3
| Наименование показателя | Земляника | Хурма | Мясо птицы (тушка курицы) |
| Вес продукта, кг | 1,0 | 1,0 | 1,0 |
| Процент содержания воды, % | 91 | 89 | 66 |
| Время охлаждения до 0°С под воздействием/без воздействия, мин |
5/12 | 8/12 | 4/14 |
| Время охлаждения до -15°С под воздействием/без воздействия, мин |
23/44 | 40/61 | 42/64 |
| Сокращение времени заморозки, мин / % | 21/52,3 | 21/34,4 | 22/34,4 |
| Срок хранения, мес | 36 | 36 | 36 |
В экспериментах продукты питания подвергались замораживанию предлагаемым в настоящем изобретении способом, а также в каждой серии экспериментов были проведены контрольные опыты с обычным замораживанием соответствующего продукта питания. Все образцы, замороженные под воздействием неоднородного переменного электрического поля, хранятся уже на протяжении 36 месяцев, при этом выборочные проверки (путем размораживания единичных образцов), проводимые каждые полгода, показывают, что снижения их потребительских свойств и изменения физико-химических характеристик объектов замораживания не произошло.
Для иллюстрации результатов экспериментов приведен график температурной кривой фазового перехода при замораживании земляники (Рис. 5), хурмы (Рис. 6) и куриного мяса (Рис. 7). В образце продукта питания под воздействием электрического поля отсутствует зона постоянной температуры в районе 0°С, при этом температура продукта снижается более быстрыми темпами по сравнению с контрольным образцом. Таким образом, из Рис. 5-7 может быть сделан вывод, что при сопровождении процесса отвода тепла управляемым неоднородным переменным электрическим полем вода в водосодержащих продуктах питания замерзает без образования кристаллической решетки.
Также, было сопоставлено время, затраченное на замораживание водосодержащих продуктов питания органического и неорганического происхождения согласно настоящему изобретению, со временем замораживания контрольных образцов. Результаты сопоставления свидетельствуют о том, что время замораживания продукта питания сокращается на 34-45% (в зависимости от продукта) по сравнению с заморозкой того же продукта без воздействия неоднородного переменного электрического поля.
Проведенные испытания показали, что в результате осуществления предлагаемого способа замораживания продуктов питания органического и неорганического происхождения обеспечивается полное предотвращение образования кристаллов льда, быстрый и эффективный теплоотвод от продукта питания, длительное сохранение органолептических свойств и физико-химических характеристик объектов замораживания.
Анализ температурных кривых фазового перехода для различных продуктов показывает, что предложенный способ заморозки не только обеспечивает бескристаллическую структуру льда, но и дает существенную экономию затрат на заморозку. Эта экономия достигается за счет двух факторов: сокращения времени, необходимого для достижения заданной температуры хранения (в экспериментах -15°С, - 18,2°С, - 20°), а также за счет ускорения съема тепла с продукта питания (на графиках – больший угол наклона температурной кривой под воздействием электрического поля).
Таким образом, проведенные испытания показали, что предлагаемое изобретение обеспечивает достижение всех заявленных технических результатов.
Claims (6)
1. Способ замораживания водосодержащих продуктов питания, характеризующийся тем, что включает в себя быстрое охлаждение продукта питания, которое начинают с одновременным созданием вокруг замораживаемого продукта питания неоднородного переменного электрического поля, при этом неоднородное переменное электрическое поле создается с помощью матриц электродов, а управление направлениями, скоростью и характером перемещений статичных градиентов напряженности электрического поля в каждой точке поля осуществляют посредством организации возвратно-поступательных циклов перемещения областей статичного градиента напряженности электрического поля вдоль горизонтальной плоскости охлаждаемого объекта, в течение всего периода фазового перехода вода-лед посредством включения потенциалов электродов на матрицах модулятора поля, управление направлениями, скоростью и характером перемещений статичных градиентов напряженности электрического поля организует циклическое движение диполей воды по замкнутым траекториям с образованием стеклообразного льда, не содержащего кристаллов, при этом воздействие неоднородным переменным электрическим полем осуществляют до момента завершения фазового перехода вода-лед, определяемого по снижению электропроводности продукта питания, а быстрое охлаждение продолжают до достижения продуктом питания температуры хранения, заданной в диапазоне от -15 до -20°С, при этом расстояние между матрицами модулятора поля от 50 до 150 мм, шаг электродов в матрицах модулятора поля составляет 10 мм, а циклическая частота перемещения областей статичного градиента напряженности электрического поля составляет от 20 до 100 Гц.
2. Способ замораживания по п. 1, отличающийся тем, что неоднородное электрическое поле создается с помощью плоскостных или объемных матриц модулятора поля.
3. Способ замораживания по п. 1, отличающийся тем, что электроды матриц модулятора поля могут быть точечными, линейными или плоскостными.
4. Способ замораживания по п. 1, отличающийся тем, что напряжение на электродах матриц модулятора поля от 3 до 70 кВт.
5. Способ замораживания по п. 1, отличающийся тем, что частота переменного поля от 1 до 20 кГц.
6. Способ замораживания по п. 1, отличающийся тем, что каждая смена направления перемещения статичных градиентов напряженности электрического поля сопровождается инверсией областей статичных градиентов электрического поля на 180 градусов.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| PCT/RU2022/050338 WO2023075645A1 (ru) | 2021-10-29 | 2022-10-25 | Способ бескристаллического замораживания водосодержащих продуктов питания |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2778148C1 true RU2778148C1 (ru) | 2022-08-15 |
Family
ID=
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2808566C1 (ru) * | 2023-03-15 | 2023-11-29 | Общество с ограниченной ответственностью "Новые пищевые технологии" | Устройство для быстрого охлаждения и заморозки продуктов растительного происхождения |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5084377A (en) * | 1984-09-19 | 1992-01-28 | Larry Rowan | Cryogenic suspension method |
| WO2003038355A1 (fr) * | 2001-11-01 | 2003-05-08 | Abi Co.,Ltd. | Appareil et procede de congelation de grande efficacite |
| RU2349846C1 (ru) * | 2007-05-22 | 2009-03-20 | Институт биологического приборостроения Российской академии наук | Установка для витрификации ооцитов и эмбрионов млекопитающих |
| DE102010053461A1 (de) * | 2010-12-03 | 2012-06-06 | Eberhard Lampeter | Verfahren und Vorrichtung zum Kryokonservieren von biologischem Material |
| RU2688331C1 (ru) * | 2018-04-02 | 2019-05-21 | Российская Федерация, от имени которой выступает ФОНД ПЕРСПЕКТИВНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ | Способ криоконсервации биологических образцов под давлением и устройство для его осуществления |
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5084377A (en) * | 1984-09-19 | 1992-01-28 | Larry Rowan | Cryogenic suspension method |
| WO2003038355A1 (fr) * | 2001-11-01 | 2003-05-08 | Abi Co.,Ltd. | Appareil et procede de congelation de grande efficacite |
| RU2349846C1 (ru) * | 2007-05-22 | 2009-03-20 | Институт биологического приборостроения Российской академии наук | Установка для витрификации ооцитов и эмбрионов млекопитающих |
| DE102010053461A1 (de) * | 2010-12-03 | 2012-06-06 | Eberhard Lampeter | Verfahren und Vorrichtung zum Kryokonservieren von biologischem Material |
| RU2688331C1 (ru) * | 2018-04-02 | 2019-05-21 | Российская Федерация, от имени которой выступает ФОНД ПЕРСПЕКТИВНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ | Способ криоконсервации биологических образцов под давлением и устройство для его осуществления |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2808566C1 (ru) * | 2023-03-15 | 2023-11-29 | Общество с ограниченной ответственностью "Новые пищевые технологии" | Устройство для быстрого охлаждения и заморозки продуктов растительного происхождения |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Alabi et al. | Transport phenomena and their effect on microstructure of frozen fruits and vegetables | |
| Dalvi-Isfahan et al. | Review on the control of ice nucleation by ultrasound waves, electric and magnetic fields | |
| You et al. | Control of ice nucleation for subzero food preservation | |
| Zhu et al. | Measuring and controlling ice crystallization in frozen foods: A review of recent developments | |
| Xu et al. | Effect of ultrasound immersion freezing on the quality attributes and water distributions of wrapped red radish | |
| Petzold et al. | Ice morphology: fundamentals and technological applications in foods | |
| Tang et al. | Effects of different magnetic fields on the freezing parameters of cherry | |
| CN106524635B (zh) | 一种具有电磁场辅助保鲜性能的冰箱 | |
| AU779275B2 (en) | Method and apparatus for quick freezing | |
| EP1447632A1 (en) | Highly-efficient freezing apparatus and highly-efficient freezing method | |
| Hu et al. | Novel synergistic freezing methods and technologies for enhanced food product quality: A critical review | |
| KR20160113111A (ko) | 부패성 재료의 과냉각 방법 | |
| CN107965960A (zh) | 基于多磁极可控的周期性变化磁场辅助冷冻装置及应用 | |
| Xanthakis et al. | Freezing combined with electrical and magnetic disturbances | |
| CN110671876A (zh) | 一种过冷却冷冻方法及冰箱和冰箱控制方法 | |
| Parandi et al. | Phase change and crystallization behavior of water in biological systems and innovative freezing processes and methods for evaluating crystallization | |
| Kang et al. | Effect of an oscillating magnetic field on the inhibition of ice nucleation and its application for supercooling preservation of fresh-cut mango slices | |
| Rodríguez et al. | Electromagnetic freezing in a widespread frequency range of alternating magnetic fields | |
| Jiang et al. | Effects of electric and magnetic field on freezing characteristics of gel model food | |
| Farahnak et al. | Ultrasound thawing of mushroom (Agaricus bisporus): Effects on thawing rate, protein denaturation and some physical properties | |
| RU2778148C1 (ru) | Способ бескристаллического замораживания водосодержащих продуктов питания | |
| JP2004081133A (ja) | 高鮮度凍結生野菜の製造方法 | |
| WO2023075645A1 (ru) | Способ бескристаллического замораживания водосодержащих продуктов питания | |
| WO2004090446A1 (en) | Method and apparatus for freeze drying material | |
| WO2021148721A1 (en) | Device and method for controllable growth of crystals in a process of freezing |