WO2023075645A1 - Способ бескристаллического замораживания водосодержащих продуктов питания - Google Patents

Способ бескристаллического замораживания водосодержащих продуктов питания Download PDF

Info

Publication number
WO2023075645A1
WO2023075645A1 PCT/RU2022/050338 RU2022050338W WO2023075645A1 WO 2023075645 A1 WO2023075645 A1 WO 2023075645A1 RU 2022050338 W RU2022050338 W RU 2022050338W WO 2023075645 A1 WO2023075645 A1 WO 2023075645A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
electric field
water
freezing
ice
field
Prior art date
Application number
PCT/RU2022/050338
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Игорь Владимирович КУДРЯКОВ
Original Assignee
Ооо "Новые Пищевые Технологии"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from RU2021131831A external-priority patent/RU2778148C1/ru
Application filed by Ооо "Новые Пищевые Технологии" filed Critical Ооо "Новые Пищевые Технологии"
Publication of WO2023075645A1 publication Critical patent/WO2023075645A1/ru

Links

Classifications

    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A23—FOODS OR FOODSTUFFS; TREATMENT THEREOF, NOT COVERED BY OTHER CLASSES
    • A23L—FOODS, FOODSTUFFS, OR NON-ALCOHOLIC BEVERAGES, NOT COVERED BY SUBCLASSES A21D OR A23B-A23J; THEIR PREPARATION OR TREATMENT, e.g. COOKING, MODIFICATION OF NUTRITIVE QUALITIES, PHYSICAL TREATMENT; PRESERVATION OF FOODS OR FOODSTUFFS, IN GENERAL
    • A23L3/00—Preservation of foods or foodstuffs, in general, e.g. pasteurising, sterilising, specially adapted for foods or foodstuffs
    • A23L3/36—Freezing; Subsequent thawing; Cooling
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25D—REFRIGERATORS; COLD ROOMS; ICE-BOXES; COOLING OR FREEZING APPARATUS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F25D15/00—Devices not covered by group F25D11/00 or F25D13/00, e.g. non-self-contained movable devices

Definitions

  • the claimed invention relates to the field of freezing food products and is intended to prevent the crystallization of water in food products of organic and inorganic origin during the water-ice phase transition.
  • Magnetic freezing has aroused great interest in the scientific community, however, the results published in the literature are often clearly contradictory, and some factors that play a role in magnetic freezing are not considered. In addition, the extremely low strength of the applied fields calls into question the effect that these weak fields can have on water.
  • the device is not designed to remove heat from the volume of food.
  • a method of rapid cooling involves lowering the air temperature around the freezing object to -30...-100°C and applying a unidirectional magnetic field to it.
  • the object is affected by the flow air having a speed of 1...5 m/s.
  • a sound wave of the audible frequency range is superimposed on this air flow. It is possible to apply an electric field to the object of freezing.
  • the installation contains a freezer capable of lowering the temperature to -30...-100°C, a pulsating magnetic field generator, a fan for circulating cold air in the freezer, and a sound wave generator.
  • the installation contains an electric field generator.
  • the pulsating magnetic field generator includes permanent magnets for applying a static magnetic field to the central part of the freezer with the intensity of a given reference level and electromagnetic coils for applying a pulsating magnetic field that pulsates within a predetermined range relative to the static magnetic field in the central part of the freezer.
  • the above method reduces the size of ice crystals in the polycrystalline structure of frozen water, but does not prevent their occurrence during the freezing process, as well as coalescence and further growth due to the addition of bound water molecules during storage.
  • the destruction of the cellular structure of objects occurs.
  • the closest analogue of the present invention is the well-known solution (WO/2003/038355, publication date 05/08/2003), which discloses a high-performance freezing device and a high-performance freezing method.
  • An object placed in the interior of a freezer is rapidly cooled to a predetermined temperature to prevent freezing of water by applying an oscillating electric field, preferably a variable frequency in the range of 50 Hz to 5 MHz, and/or a magnetic field to the object, or additional ionic air, and then the object is instantly frozen at a given temperature.
  • an oscillating electric field preferably a variable frequency in the range of 50 Hz to 5 MHz
  • a magnetic field to the object, or additional ionic air
  • the object is instantly frozen at a given temperature.
  • the magnetic field is a static magnetic field and/or an alternating magnetic field.
  • the alternating magnetic field generating means includes a plurality of electromagnetic coil units, each of which includes a coil base for forming a coil, and an electromagnetic coil formed from a highly conductive wire wound around the base, the coil being sealed with a compounding compound.
  • the electromagnetic coil units are arranged in parallel, in series, or transversely along the holder so as to be transverse to the holder, or so as to surround or sandwich the holder.
  • the disadvantage of the known solution is that with the disclosed method at a temperature below -10 ° C, ice crystals are still formed, and the patent document does not contain any actual data confirming the absence of ice crystals in the product after freezing, and even more so after storage and defrosting .
  • the disadvantages of the analyzed closest analogue can be indicated that the above method reduces the size of ice crystals in the polycrystalline structure of frozen water, but does not prevent their occurrence during the freezing process, as well as their accretion and further growth due to the addition of bound water molecules during storage .
  • the processes of inevitable accretion of primary crystals and their further growth lead to complete or partial mechanical destruction of cellular and intercellular structures.
  • the closest analogue does not disclose the physical and biological mechanisms of the influence of magnetic fields on the process of formation of ice crystals. There is no evidence that the declared effects of reducing ice crystals are the result of exposure to magnetic fields on the product.
  • the destruction of the cellular structure during storage does not ensure the viability of cells, tissues, organs, and biological objects.
  • a method for freezing water-containing food products of organic and inorganic origin characterized in that it includes rapid cooling of the food product, which begins with the simultaneous creation of a non-uniform alternating electric field around the frozen food product, while a non-uniform alternating electric field is created with the help of matrices of electrodes, and the direction, speed and nature of the movements of static gradients of the electric field strength at each point of the field are controlled during the entire period of the phase transition into the distance by switching on the potentials of the electrodes on the matrices of the field modulator, the directions, speed and nature of the movements of the static gradients of the electric field intensity organizes the cyclic movement of water dipoles along closed trajectories with the formation of glassy ice that does not contain crystals, while the effect of an inhomogeneous alternating electric field is carried out until the completion of the water-ice phase transition, determined by a decrease in the electrical conductivity of the food product, and rapid cooling is continued until
  • An inhomogeneous electric field is created using planar or volumetric matrices of the field modulator.
  • the electrodes of the field modulator matrices can be point, linear or planar.
  • the electrode pitch in the field modulator matrices is at least 5 mm.
  • the distance between the matrices of the field modulator is from 20 to 1500 mm.
  • the voltage on the electrodes of the field modulator matrices is from 3 to 70 kW.
  • Variable field frequency from 1 kHz to 20 kHz.
  • the direction, speed and nature of the movements of the static gradients of the electric field strength at each point of the field are controlled by organizing reciprocating cycles of moving the areas of the static gradient of the electric field strength along the horizontal plane of the cooled object.
  • the cyclic frequency of movement of the areas of the static gradient of the electric field is from 5 to 150 Hz.
  • Each change in the direction of movement of static gradients of the electric field is accompanied by an inversion of the areas of static gradients of the electric field by 180 degrees.
  • FIG. 1 schematically shows the organization of regions of static gradients of the alternating electric field.
  • FIG. 2 shows a diagram of dynamic control of local areas of static gradients of the alternating electric field strength.
  • Fig. 3 shows the position of the water dipole and the trajectory of its movement in various phases of the movement of local regions of static gradients of the alternating electric field.
  • Fig. Figure 4 shows the temperature graph of the water-ice phase transition under the influence of static gradients of the alternating electric field strength and without influence during freezing of water.
  • Fig. Figure 5 shows the temperature graph of the water-ice phase transition under the influence of static gradients of the alternating electric field strength and without exposure during freezing of strawberries.
  • Fig. Figure 6 shows the temperature graph of the water-ice phase transition under the influence of static gradients of the alternating electric field strength and without exposure during persimmon freezing.
  • FIG. Figure 7 shows the temperature graph of the water-ice phase transition under the influence of static gradients of the alternating electric field strength and without exposure during freezing of poultry meat.
  • the present invention is a method for crystalless freezing of water-containing food products of organic and inorganic origin, which includes rapid cooling of the food product and the creation of a non-uniform alternating electric field around the food product to be frozen.
  • Rapid cooling can be carried out by any method commonly used in the relevant field of technology, depending on the specifics of the product: cooling in a gaseous refrigerant (for example, cold air, etc.), cooling in a liquid refrigerant (for example, cold water or alcohol, liquid nitrogen, etc.). etc.).
  • a gaseous refrigerant for example, cold air, etc.
  • a liquid refrigerant for example, cold water or alcohol, liquid nitrogen, etc.).
  • Rapid cooling begins to be carried out simultaneously with the creation of a non-uniform alternating electric field around the frozen food product.
  • An inhomogeneous electric field is created using planar or volumetric matrices of the field modulator.
  • the electrodes of the field modulator matrices can be point, linear or planar.
  • the electrode pitch in the field modulator matrices is at least 5 mm.
  • the distance between the matrices of the field modulator is from 20 to 1500 mm.
  • the voltage on the electrodes of the field modulator matrices is from 3 to 70 kW.
  • Variable field frequency from 1 kHz to 20 kHz.
  • An inhomogeneous alternating electric field is characterized by static gradients of the electric field strength at each point of the field, the controlled movement of the regions of which organizes the circulation of water dipoles along closed trajectories.
  • Each region of the static gradient of the electric field strength is a cone with its apex facing the electrode.
  • Fig. 1 and 2 shows a planar display of the cone of the static gradient of the electric field strength - a triangle.
  • the direction, speed and nature of the movements of the static gradients of the electric field strength at each point of the field are controlled by organizing reciprocating cycles of moving the areas of the static gradient of the electric field strength along the horizontal plane of the cooled object.
  • the cyclic frequency of movement of the areas of the static gradient of the electric field is from 5 to 150 Hz.
  • the value of the step-by-step (one step is the minimum distance between the electrodes) uniform translational movement is equal to half the width of the region
  • the value of the step-by-step return movement is half the width of the region minus the minimum distance between the electrodes in the matrix.
  • the horizontal shift of the cycle start point is, respectively, from 5 to 150 matrix distances between the electrodes.
  • the inversion of the regions of the static gradient of the alternating electric field inside the reciprocating cycle when changing the direction of their movement and the shift of the cycle start point in the direction of the translational movement after each cycle makes it possible to cover all water dipoles with the vortex motion.
  • the cycle frequency and displacement step form different modes of vortex motion and affect the size of convective cells (a convective cell is a closed trajectory of a dipole (or a group of dipoles) of water) and the degree of intensity of their energy interaction (heat transfer from inside an aqueous solution to its surface).
  • the size and number of convective cells is determined by the specifics of the food product. The higher the percentage of water content in the product, the lower the speed of movement of local areas and the larger the size of convective cells.
  • the moment of termination of exposure to a non-uniform alternating electric field on a food product is determined by the moment of completion of the water-ice phase transition, which, in turn, is determined by a decrease in the electrical conductivity of the food product.
  • the electrical conductivity of ice is very low and many times less than the electrical conductivity of water. So, the electrical conductivity of distilled water is from about 10-5 S/m to about 3.33 S/m (depending on the degree of water mineralization), while for ice this indicator is from 0.27 10 7 S/m to 0.52 - 10 7 S/m (depending on ice temperature).
  • test tube with water was marked as a control and subjected to conventional freezing.
  • the remaining test tubes with water were frozen by the method proposed in the present invention.
  • the end point of the electric field impact on the product was determined by measuring the electrical conductivity. When the electrical conductivity dropped to 5 ⁇ S/cm, the field action was terminated (the water completely passed into the solid phase). The electrical conductivity was measured with a Valagro conductometer.
  • the time taken to freeze water-containing organic and inorganic food products according to the present invention was compared with the time taken to freeze control samples.
  • the results of the comparison indicate that the time of freezing a food product is reduced by 34-45% (depending on the product) compared to freezing the same product without exposure to a non-uniform alternating electric field.
  • phase transition temperature curves for various products shows that the proposed freezing method not only provides a crystal-free ice structure, but also provides significant savings in freezing costs. This savings is achieved due to two factors: reducing the time required to reach the desired storage temperature (in the experiments -15°C, -18.2°C, -20°C), as well as by accelerating the removal of heat from the food product (on the graphs - a larger angle of inclination of the temperature curve under the influence of an electric field).

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Nutrition Science (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Food Science & Technology (AREA)
  • Polymers & Plastics (AREA)
  • Freezing, Cooling And Drying Of Foods (AREA)

Abstract

Изобретение относится к способу замораживания водосодержащих продуктов питания. Способ включает быстрое охлаждение продукта и одновременное создание вокруг замораживаемого продукта неоднородного переменного электрического поля с помощью матриц электродов. 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 организует циклическое движение диполей воды по замкнутым траекториям с образованием стеклообразного льда, не содержащего кристаллов. Воздействие неоднородным переменным электрическим полем осуществляют до момента завершения перехода вода-лед, определяемого по снижению электропроводности продукта, а быстрое охлаждение продолжают до достижения продуктом температуры хранения от -15°С до -20°С. Изобретение обеспечивает полное предотвращение образования кристаллов льда при замораживании продукта, быстрый теплоотвод, длительное сохранение органолептических и физико-химических характеристик.

Description

СПОСОБ БЕСКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО ЗАМОРАЖИВАНИЯ ВОДОСОДЕРЖАЩИХ ПРОДУКТОВ ПИТАНИЯ
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 С AS, 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 Со. 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 °C, 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 mixqi 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 -ЗО...-1ОО°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 -ЗО...-1ОО°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°С 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 во да- 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 10-5 См/м до порядка 3,33 См/м (в зависимости от степени минерализации воды), тогда как у льда данный показатель составляет от 0,27 10 7 См/м до 0,52 - 10 7 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, диаметп 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
Figure imgf000016_0001
Figure imgf000017_0001
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 °C до -8 °C 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
Figure imgf000018_0001
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
Figure imgf000019_0001
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°С), 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

Формула изобретения
1. 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.
2. Способ замораживания по и. 1, отличающийся тем, что неоднородное электрическое поле создается с помощью плоскостных или объемных матриц модулятора поля.
3. Способ замораживания по и. 1, отличающийся тем, что электроды матриц модулятора поля могут быть точечными, линейными или плоскостными.
4. Способ замораживания по и. 1, отличающийся тем, что шаг электродов в матрицах модулятора поля составляет не менее 5 мм.
5. Способ замораживания по и. 1, отличающийся тем, что расстояние между матрицами модулятора поля от 20 до 1500 мм.
6. Способ замораживания по и. 1, отличающийся тем, что напряжение на электродах матриц модулятора поля от 3 до 70 кВт.
7. Способ замораживания по и. 1, отличающийся тем, что частота переменного поля от 1 кГц до 20 кГц.
8. Способ замораживания по и. 1, отличающийся тем, что 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.
9. Способ замораживания по и. 1, отличающийся тем, что циклическая частота перемещения областей статичного градиента напряженности электрического поля составляет от 5 до 150 Гц.
10. Способ замораживания по и. 1, отличающийся тем, что каждая смена направления перемещения статичных градиентов напряженности электрического поля сопровождается инверсией областей статичных градиентов электрического поля на 180 градусов.
PCT/RU2022/050338 2021-10-29 2022-10-25 Способ бескристаллического замораживания водосодержащих продуктов питания WO2023075645A1 (ru)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2021131831A RU2778148C1 (ru) 2021-10-29 Способ бескристаллического замораживания водосодержащих продуктов питания
RU2021131831 2021-10-29

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2023075645A1 true WO2023075645A1 (ru) 2023-05-04

Family

ID=86158289

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/RU2022/050338 WO2023075645A1 (ru) 2021-10-29 2022-10-25 Способ бескристаллического замораживания водосодержащих продуктов питания

Country Status (1)

Country Link
WO (1) WO2023075645A1 (ru)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1387953A1 (ru) * 1986-05-14 1988-04-15 Московский технологический институт мясной и молочной промышленности Способ охлаждени и замораживани влагосодержащих объектов
EP1447632A1 (en) * 2001-11-01 2004-08-18 Abi Co. Ltd. Highly-efficient freezing apparatus and highly-efficient freezing method
RU2270407C2 (ru) * 1999-10-01 2006-02-20 Аби Лимитед Способ быстрого замораживания и установка быстрого замораживания (варианты)
EA009630B1 (ru) * 2003-08-11 2008-02-28 Югенгейша Сан Уорлд Кавамура Способ и устройство консервирования пищи

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1387953A1 (ru) * 1986-05-14 1988-04-15 Московский технологический институт мясной и молочной промышленности Способ охлаждени и замораживани влагосодержащих объектов
RU2270407C2 (ru) * 1999-10-01 2006-02-20 Аби Лимитед Способ быстрого замораживания и установка быстрого замораживания (варианты)
EP1447632A1 (en) * 2001-11-01 2004-08-18 Abi Co. Ltd. Highly-efficient freezing apparatus and highly-efficient freezing method
EA009630B1 (ru) * 2003-08-11 2008-02-28 Югенгейша Сан Уорлд Кавамура Способ и устройство консервирования пищи

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Dalvi-Isfahan et al. Review on the control of ice nucleation by ultrasound waves, electric and magnetic fields
Alabi et al. Transport phenomena and their effect on microstructure of frozen fruits and vegetables
You et al. Control of ice nucleation for subzero food preservation
Cheng et al. Emerging techniques for assisting and accelerating food freezing processes: A review of recent research progresses
Xu et al. Effect of ultrasound immersion freezing on the quality attributes and water distributions of wrapped red radish
KR102025978B1 (ko) 부패성 재료의 과냉각 방법
Tang et al. Effects of the magnetic field on the freezing parameters of the pork
Petzold et al. Ice morphology: fundamentals and technological applications in foods
CN106524635B (zh) 一种具有电磁场辅助保鲜性能的冰箱
Kang et al. Supercooling preservation technology in food and biological samples: A review focused on electric and magnetic field applications
EP1447632A1 (en) Highly-efficient freezing apparatus and highly-efficient freezing method
AU779275B2 (en) Method and apparatus for quick freezing
Xu et al. Infusion of CO2 in a solid food: A novel method to enhance the low-frequency ultrasound effect on immersion freezing process
Hu et al. Novel synergistic freezing methods and technologies for enhanced food product quality: A critical review
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
Xu et al. Effect of infused CO2 in a model solid food on the ice nucleation during ultrasound-assisted immersion freezing
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
Parandi et al. Phase change and crystallization behavior of water in biological systems and innovative freezing processes and methods for evaluating crystallization
Rodríguez et al. Electromagnetic freezing in a widespread frequency range of alternating magnetic fields
RU2778148C1 (ru) Способ бескристаллического замораживания водосодержащих продуктов питания
Jiang et al. Effects of electric and magnetic field on freezing characteristics of gel model food
WO2023075645A1 (ru) Способ бескристаллического замораживания водосодержащих продуктов питания
JP2011244696A (ja) 急速冷凍装置
US20230099623A1 (en) Device and method for controllable growth of crystals in a process of freezing
WO2004090446A1 (en) Method and apparatus for freeze drying material

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 22887789

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE