一种基于函数信号控制的强电解质离子电流的食品浸渍加工方法
【专利摘要】一种基于函数信号控制的强电解质离子电流的食品浸渍加工方法，属于运用电磁学的食品加工【技术领域】。组成单元有（A）驱动单元：任意函数信号发生器、功率放大器；（B）感应单元：环形硅钢铁芯、硅胶管绕组、铜线圈绕组；（C）浸渍单元：浸渍槽、真空泵。通过函数信号发生器生成特定的周期函数信号，经功率放大器放大后，激励一端的铜线圈绕组，并在环形硅钢铁芯中产生变化的磁通，引发在另一端充满强电解质溶液的硅胶管绕组中产生感应电动势。在感应电动势驱动下，溶液回路体系中的正负离子定向移动，完成对食品的浸渍处理，浸渍液需为强电解质的离子化合物类。本发明避免了电化学反应带来的浸渍液电解和极板腐蚀结垢问题，原理区别于电解、电泳、电渗析和电镀技术。
【专利说明】—种基于函数信号控制的强电解质离子电流的食品浸渍加工方法
【技术领域】
[0001]一种基于函数信号控制的强电解质离子电流的食品浸溃加工方法，本发明涉及一种新型食品浸溃加工方法，适用于强电解质类的浸溃液，属于运用电磁学的食品加工【技术领域】。本发明与真空浸溃技术相比，可在更短的时间内完成对食品原料的浸溃处理。可完成湿法盐溃、着色处理和微量矿物质元素的加强。
【背景技术】
[0002]中国传统的浸溃食品加工方法包括五大类，即盐溃、醋溃、糟溃、酱溃和糖溃。浸溃食品种类繁多，其中广为人知的产品有各类泡菜、酱菜、酸泡姜片、调味香瓜子、盐水蛋、泡椒凤爪与猪皮、醉蟹等，它们都受到人们的青睐。浸溃处理的目的是将浸溃溶液中的各类溶质离子和分子如氢、钠、钾、钙、铁、硒、氯离子和蔗糖、醇类小分子渗透到食品组织空隙以及细胞中，同时由于渗透压差而除去食品中的部分水分，产生良好的风味。此过程中，浸溃液中溶质扩散速率受到组织细胞内外各种物质的分压力差、浸溃温度、环境压力和食品原料空隙率的影响。浸溃食品中特别是湿法腌制的水产品，因为溶质扩散速率慢而长时浸溃会造成变质，所以一般多在5°C的冷藏环境中腌溃，不可避免的因时间长而造成可溶性蛋白、维生素、矿物质和色素的流失。为加快食品的浸溃处理，通常只有通过提高浸溃温度、提高溶质浓度和改变环境大气压力来进行。但因为高温会引起浸溃食品的发酵和酸败，故提高温度来加快浸溃处理的方式，在工业上鲜有采用。提高浸溃液溶质浓度则会形成“高盐”产品，而必须增加后期脱盐工艺操作。目前成熟应用的且能加快食品浸溃处理的技术只有真空浸溃技术(Vacuum Impregnation简称VI),核心原理是利用压差引起的流体动力学机理和变形松弛现象来提高腌溃效率。食品组织细胞内存在孔隙，真空下在物料内部形成低压气泡，同时也造成细胞间距增大而物料膨胀，在细胞内外压差和毛细管效应下外部液体更容易渗入。通常在数十分钟内完成食品的浸溃处理，与常压浸溃所需的几天或几十天时间相比已大大缩短了加工时间，故能广泛应用。
[0003]电流的导体分为两大类，第一类是金属导体，电流形式为电子电流，第二类是电解质溶液或熔融电解质。电解质可分为强电解质和弱电解质，强电解质在溶液中能完全电离，多为离子化合物和大部分盐类，而弱电解质电离不完全，多为共价化合物。电解质溶液的导电能力与电离度、浓度、温度都有相关性，电流形式为离子电流。电解质溶液中由于含有大量的带正负离子，在有电势差的环境中会发生定向迁移，根据这一原理的技术应用包括电解、电镀、电泳和电渗析。它们都是通过在电极间产生电势差而造成离子定向移动，其中电解、电镀、电渗析的处理对象多为电解质中的正负离子，其分子量小；而电泳则针对溶液中一些表面带有大量正负电子的蛋白质大分子类进行处理。
[0004]感应离子电流即在充满电解质的螺线管路中弓I入变化的磁通量使其生产感应电动势作为“源动力”来驱动溶液回路体系中的离子移动。溶液回路体系中根据其线圈的磁通量变化率不同而具有不同规律的感应电动势产生，进而具有不同的驱动效果。这是因为根据电场中带电尚子的运动，推动带电尚子运动的力(F)等于尚子所带净电荷量(Q)与电场强度(X)的乘积，即F = QX。由于磁通变化率不同，则产生的交变感应电动势在正负方向的峰值不同，即离子在不同方向受到的电场力大小和持续时间不同。而离子的前移同样要受到阻力(/)的影响，对于一个类似球形的离子，服从斯托克斯定律，即:/=6 π r η V(r为离子质点半径，Π为溶液介质粘滞系数，V为离子移动速度)，当达到平衡时，带电离子匀速运动，即F= f。
【发明内容】
[0005]本发明目的是提供一种基于函数信号控制的强电解质离子电流的食品浸溃加工方法，涉及一种新型食品浸溃加工方法，原理是通过函数信号发生器生成特定的周期信号波形，经过功率放大器将信号电流放大并激励互感硅钢铁芯一端的线圈绕组，变化的磁通在另一端充满强电解质溶液的螺旋硅胶管绕组管路中产生相应变化规律的感应电动势作为“源动力”来驱动导通回路中的离子并形成定向迁移。由于感应电动势变化规律不同，离子受到“正向”和“负向”的电场力大小和持续时间有异，进而使离子具有不同的步进效果。根据溶液体系的离子特性，选择适当的函数波形来达到最佳的浸溃效果。技术原理如图1所示，波形示例如图2。
[0006]本发明的技术方案:一种基于函数信号控制的强电解质离子电流的食品浸溃加工方法，本发明装置的组成单元有(A)驱动单元:包括任意函数信号发生器(I)、功率放大器
(2);任意函数信号发生器(I)和功率放大器(2)相连接；(B)感应单元:包括环形硅钢铁芯
(3)、硅胶管绕组(4)、铜线圈绕组(5);环形硅钢铁芯(3)的一端绕铜线圈绕组(5)，环形硅钢铁芯(3)的另一端绕硅胶管绕组(4);铜线圈绕组(5)和功率放大器(2)相连接；硅胶管绕组(4)两端分别与浸溃槽(6)两端的导通口相连接，使强电解质溶液形成闭合回路；(C)浸溃单元:包括浸溃槽(6)、真 空泵(7)，真空泵(7)与浸溃槽(6)相接通；
通过函数发生器生成特定规律的周期信号，经过功率放大器将信号电压放大并激励环形硅钢铁芯一端的铜线圈绕组，其中放大电压信号失真率=0.1%，周期规律变化的磁通使环形硅钢铁芯另一端充满强电解质溶液的螺旋硅胶管绕组中产生相应规律变化的感应电动势作为“源动力”来驱动浸溃液体系中的离子发生定向迁移；根据溶液体系的离子特性，选择适合的周期函数波形来达到最佳的浸溃效果；当周期函数波形发出时，此时强电解质浸溃液电导率需在2(T60mS/cm范围，则变化的磁通可在浸溃槽两端生成500mV~1.8V的交变感应电动势，当食材厚度在3cm以内时均可在5min内完成浸溃，即食材内外环境中浸溃液溶质的体积浓度基本一致。
[0007]驱动单元中的函数信号发生器生成频率IHflOOHz的任意自定义波形信号，I个周期内信号具有I个上升沿，2个下降沿，上升沿的斜率大于下降沿的斜率，幅宽范围IOVpp(±5V)之内，输出阻抗50 Ω，使用的功率放大器兼容任意函数波形的放大，全功率频率范围IHz~100Hz，输出电压幅宽300Vpp ( 土 150V)，输出电流(T40mA，输入阻抗50 Ω，激励在矩形硅钢铁芯一侧的线圈绕组。
[0008]感应单元中的环形硅钢铁芯为硅钢矩形铁芯，铜线圈绕组为单层绕线，铜线直径范围0.6^0.8mm,匝数为12(Tl50匝，与功率放大器连接。
[0009]充满强电解质浸溃液的硅胶管绕组其材料为绝缘性好、柔韧性佳、无毒无味的食品级钼金硅胶管，内径范围I飞mm，管壁厚度3mm，绕组为单层绕线其匝数范围为10~20圈，硅胶管两端与分别与浸溃槽两侧的导通口相接并连通，使浸溃液呈循环的回路体系，当特定规律变化的磁通产生时，浸溃液电导率在2(T60mS/cm时，可在浸溃槽两端生成500mV~1.8V特定规律变化的感应电动势，可对浸溃液中的不同离子产生定向驱动效果，从而完成对食品的浸溃处理。感应电动势可通过在浸溃槽两端插入钼片电极并由交流伏特表检得，钼片电极尺寸5mmX 5mmX 0.15mm。
[0010]浸溃单元中玻璃浸溃槽为圆柱形结构内径80mm，长度300mm，壁厚3mm，上方留有可抽真空的阀门和可以进样或取样的密封盖，浸溃槽两侧的中间部位有导通口，可与硅胶管连接，使其整个浸溃液体系成循环回路，由真空泵控制浸溃液体系的循环。
[0011]然后由函数信号发生器生成频率在IHflOOHz的特定波形周期函数信号，I个周期内信号具有I个上升沿，2个下降沿，上升沿的斜率大于下降沿的斜率，其幅宽范围在IOVpp (±5￥)，输出阻抗50 0，信号通过全功率频率范围在IHz~100Hz，输出电压幅宽在300Vpp (±150V)，输出电流在(T40mA，输入阻抗50Ω的功率放大器并将电压信号放大，激励在矩形硅钢铁芯一侧的线圈绕组，线圈绕组为单层绕线，铜线直径范围为0.6^0.8mm,匝数在120-150圈。于是在充满强电解质浸溃溶液的硅胶管绕组中会有规律变化的磁通产生，其中硅胶管材料为绝缘性好、柔韧性佳、无毒无味的食品级钼金硅胶管，内径范围f 5mm，管壁厚度3mm，绕组为单层绕线其匝数范围为10-20圈。当特定规律变化的磁通产生时，浸溃液电导率在2(T60mS/cm时，可在浸溃槽两端生成500mV~1.8V特定规律变化的感应电动势，可对浸溃液中的不同离子产生定向驱动效果，从而完成对食品的浸溃处理。感应电动势可通过在浸溃槽2端插入钼片电极并由交流伏特表检得，钼片电极尺寸5mmX 5mmX 0.15mm。
[0012]本发明的有益效果:可快速的完成对食材的浸溃加工，浸溃液需属于强电解质的离子化合物类。对于需要通过湿法盐溃、着色和矿物质营养元素强化处理的食材，当厚度在3cm以内时均可在5min内完成浸溃,即稳定后食材内外环境溶质的体积浓度基本一致。浸溃处理时，溶液浓度在0.01%~6%以及电导率在2(T60mS/cm范围适宜。离子浓度大，则感应离子电流密度过高，使溶液回路体系生产对流或湍流，则不利于离子浸溃。由于电解质离子的定向迁移驱动力来源于感应电动势`而非直接插入的通电极板，因此本发明避免了由于电化学反应带来的浸溃液电解和极板腐蚀结垢问题，原理完全区别于目前的电解、电泳、电渗析和电镀技术。
【专利附图】
【附图说明】
[0013]图1 一种基于函数信号控制的强电解质离子电流的食品浸溃技术原理示意图。1、任意函数信号发生器，2、功率放大器，3、环形硅钢铁芯，4、硅胶管绕组，5、铜线圈绕组，6、浸溃槽，7、真空泵。
[0014]图2磁通变化与感应电动势示例图。
[0015]图3盐溃青梅的函数信号波形图。
[0016]图4感应离子电流处理5min后青梅内部组织微观盐分观察。
[0017]图5钙盐浸溃苹果的函数信号波形图。
[0018]图6感应离子电流处理5min后苹果内部组织微观钙盐布观察。[0019]图7瓜子着色浸溃的函数信号波形图。
【具体实施方式】
[0020]实施例1盐溃青梅
称取青梅300克，洗净后置于浸溃槽中，槽的腔体尺寸为内径80mm，长度300mm，壁厚3mm。注入质量分数5%浓度的氯化钠腌溃液直到浸没样品，此时采用梅特勒-托利多FE30电导率仪测得腌溃溶液电导率为55mS/cm。浸溃槽密封后开启真空泵抽真空直到溶液充满硅胶管路，体系中的浸溃溶液成回路状态。其中硅胶管材料为绝缘性好、柔韧性佳、无毒无味的食品级钼金硅胶管，内径2_，管壁厚度3_，硅胶管缠绕在矩形硅钢铁芯一端上，硅胶管绕组为单层绕线，匝数范围为20圈。此后由普源DG1022型函数信号发生器生成特定波形的周期函数信号，I个周期内信号具有I个上升沿，2个下降沿，上升沿的斜率大于下降沿的斜率，波形图如图 3 所不，周期 750ms, t0=Os, t^lOOms, t2=250ms, t3=400ms, t4=500ms,t5=650ms, t6=750ms, Y,=2.5V，V2=5V，其波形幅宽VPP=5V，电压信号再通过美国TEGAM牌型号为2350的功率放大器放大10倍，以此激励在矩形硅钢铁芯另一端的线圈绕组，线圈绕组为单层绕线，铜线直径0.8mm，匝数140圈，此时体系的感应电动势为1.2V。启动5min后取出青梅，即达到浸溃要求，此时青梅含盐量为4.6%，而未处理前的青梅含盐量为0.2%。
[0021]盐溃效果的微观检测，采用扫描电子显微镜观察青梅内部靠近果核部位的组织中的盐分分布情况，如图4所示，可以看出5min处理后青梅内部组织已含有明显盐分。检测方法:取靠近果核部位的青梅肉，切成4_ X 1.5mm X 5mm的矩形块状,直接置于液氮中冷冻(-210°C) 5min，取出后将其脆断，在冻干机的_45°C冷阱、真空度12Pa环境下迅速脱水30min。干燥的样品表面喷金,于荷兰Quanta 200扫描电子显微镜下观察,如图4所不。
[0022]实施例2苹果的钙元素营养强化 苹果洗净削皮，切成3 X 3 X 3cm块状，称取400g，置于浸溃槽中，浸溃槽腔体尺寸为内径80mm,长度300mm,壁厚3mm,注入质量分数1000mg/kg的食品级乳酸钙溶液浸没样品,此时采用梅特勒-托利多FE30电导率仪测得腌溃溶液电导率为22mS/cm，密封后开启真空泵抽真空直到溶液充满硅胶管路，体系中的溶液成回路状态，其中硅胶管材料为绝缘性好、柔韧性佳、无毒无味的食品级钼金硅胶管，内径范围4_，管壁厚度3_，硅胶管缠绕在矩形硅钢互感铁芯一端，硅胶管绕组为单层绕线，匝数为15圈。由普源DG1022型函数信号发生器生成特定波形的周期函数信号，I个周期内信号具有I个上升沿，2个下降沿，上升沿的斜率大于下降沿的斜率，波形图如图5所示，周期540ms, t0=0s, t^SOms, t2=100ms, t3=220ms,t4=300ms, t5=420ms, t6=540ms, V1=4V，V2=8V，其波形幅宽 Vpp=8V，电压信号经美国 TEGAM 牌的型号为2350的功率放大器放大10倍后，激励在矩型铁芯另一端的线圈绕组，线圈绕组为单层绕线，铜线直径0.8mm，匝数在150圈，此时溶液体系的感应电动势为800mV。保持5min后取出，苹果块即达到浸溃要求，此时苹果肉中的含钙量0.lmg/g,而未处理前的含钙量 0.003mg/g。
[0023]钙元素浸溃效果的微观检测，采用扫描电子显微镜观察苹果肉内部组织中的钙盐分布情况，如图6所示，可以看出5min处理后苹果内部组织已含有明显钙盐。检测方法:取苹果内部果肉组织，切成4mm X 1.5mm X 5mm的矩形块状,直接置于液氮中冷冻(_210°C )5min，取出后将其脆断，在冻干机的_45°C冷阱、真空度12Pa环境下迅速脱水30min。干燥的样品表面喷金，于荷兰Quanta 200扫描电子显微镜下观察,如图6所不。
[0024]实施例3:瓜子着色
米用合成色素觅菜红，分子式C2tlH11OltlN2S3Na3,水溶性色素。本例为植物纤维表面稳定上色。葵花籽称取500克，置于浸溃槽中，浸溃槽腔体尺寸为内径80mm，长度300mm，壁厚3mm，注入浓度40mg/kg的苋菜红浸溃液直到浸没样品，此时采用梅特勒-托利多FE30电导率仪测得腌溃溶液电导率为20mS/cm。密封后开启真空泵抽真空直到溶液充满硅胶管路，体系中的溶液成回路状态，其中硅胶管材料为绝缘性好、柔韧性佳、无毒无味的食品级钼金硅胶管，内径范围5_，管壁厚度3_，硅胶管缠绕在矩形硅钢铁芯一端，硅胶管绕组为单层绕线，匝数为20圈。由普源DG1022型函数信号发生器生成特定波形的周期函数信号，I个周期内信号具有I个上升沿，2个下降沿，上升沿的斜率大于下降沿的斜率，波形图如图7所不，周期 440ms, t0=Os, t^SOms, t2=120ms, t3=240ms, t4=280ms, t5=400ms, t6=440ms, V1=SV,V2=IOV,其波形幅宽Vpp=IOV,电压信号经美国TEGAM牌的型号为2350的功率放大器放大10倍后，激励在矩型硅钢铁芯另一端的线圈绕组，铜制绕组为单层绕线，铜线直径0.8_，匝数在140圈，此时溶液体系的感应电动势为900mV。保持5min后取出，通过感观评价并与常压浸泡同样时间的瓜子相比，该法处理的瓜子色泽稳定，冲洗后色泽不褪。按照《食品添加剂手册(第三版)》凌关庭主编的关于色素物质总含量测定方法0T-15分析，处理后的瓜子壳中觅菜红含量18mg/kg,而常压浸泡处理5min的瓜子壳中觅菜红含量为5mg/k g。
【权利要求】
1.一种基于函数信号控制的强电解质离子电流的食品浸溃加工方法，其特征在于装置的组成单元有(A)驱动单元:包括任意函数信号发生器(I)、功率放大器(2);任意函数信号发生器(I)和功率放大器(2)相连接；(B)感应单元:包括环形硅钢铁芯(3)、硅胶管绕组(4)、铜线圈绕组(5);环形硅钢铁芯(3)的一端绕铜线圈绕组(5)，环形硅钢铁芯(3 )的另一端绕硅胶管绕组(4);铜线圈绕组(5)和功率放大器(2)相连接；硅胶管绕组(4)两端分别与浸溃槽(6)两端的导通口相连接，使强电解质溶液形成闭合回路；(C)浸溃单元:包括浸溃槽(6)、真空泵(7)，真空泵(7)与浸溃槽(6)相接通； 通过函数发生器生成特定规律的周期信号，经过功率放大器将信号电压放大并激励环形硅钢铁芯一端的铜线圈绕组，其中放大电压信号失真率=0.1%，周期规律变化的磁通使环形硅钢铁芯另一端充满强电解质溶液的螺旋硅胶管绕组中产生相应规律变化的感应电动势作为“源动力”来驱动浸溃液体系中的离子发生定向迁移；根据溶液体系的离子特性，选择适合的周期函数波形来达到最佳的浸溃效果；当周期函数波形发出时，此时强电解质浸溃液电导率需在2(T60mS/cm范围，则变化的磁通可在浸溃槽两端生成500mV~1.8V的交变感应电动势，当食材厚度在3cm以内时均可在5min内完成浸溃，即食材内外环境中浸溃液溶质的体积浓度基本一致。
2.根据权利要求1所述的基于函数信号控制的强电解质离子电流的食品浸溃加工方法，其特征在于，驱动单元中的函数信号发生器可生成频率IHflOOHz的任意自定义波形，I个周期内信号具有I个上升沿，2个下降沿，上升沿的斜率大于下降沿的斜率，幅宽范围IOVpp之内，+ 5V~一 5 V，输出阻抗50 Ω，使用的功率放大器兼容任意函数波形的放大，全功率频率范围IHz~100Hz，输出电压幅宽300Vpp，+ 150V~一 150V，输出电流(T40mA，输入阻抗50 Ω。
3.根据权利要求1所述的基于函数信号控制的强电解质离子电流的食品浸溃加工方法，其特征在于，感应单元中的环形硅钢铁芯为硅钢矩形铁芯，铜线圈绕组为单层绕线，铜线直径范围0.6^0.8mm,匝数为12(Tl50匝，与功率放大器连接。`
4.根据权利要求1所述的基于函数信号控制的强电解质离子电流的食品浸溃加工方法，其特征在于，充满强电解质浸溃液的硅胶管绕组其材料为绝缘性好、柔韧性佳、无毒无味的食品级钼金硅胶管，内径范围广5mm，管壁厚度3mm，绕组为单层绕线其匝数范围为10-20圈，硅胶管两端与分别与浸溃槽两侧的导通口相接并连通，使浸溃液呈循环的回路体系O
5.根据权利要求1所述的基于函数信号控制的强电解质离子电流的食品浸溃加工方法，其特征在于，浸溃单元中玻璃浸溃槽为圆柱形结构内径80mm，长度300mm，壁厚3mm，上方留有可抽真空的阀门和可以进样或取样的密封盖，浸溃槽两侧的中间部位有导通口，可与硅胶管连接，使其整个浸溃液体系成循环回路，由真空泵控制浸溃液体系的循环。
【文档编号】A23P1/00GK103504454SQ201310411500
【公开日】2014年1月15日 申请日期:2013年9月11日 优先权日:2013年9月11日
【发明者】杨哪, 徐学明, 金亚美, 吴凤凤, 周星, 金征宇, 段翔, 陈海英 申请人:江南大学