基于脈沖電場和超聲波場的液態(tài)食品滅菌裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于脈沖電場和超聲波場的液態(tài)食品滅菌裝置。在油槽的底部設(shè)有兩根平行的滑軌，處理室絕緣支架的下端跨接在兩根平行的滑軌兩側(cè)，其上端的U形槽中安裝有脈沖電場處理室；螺桿穿過處理室絕緣支架，并位于滑軌上方，螺桿的一端與步進電機通過聯(lián)軸器相連；在脈沖電場處理室兩側(cè)的螺桿上對稱安裝左右旋滑塊，左右旋滑塊上端向內(nèi)的側(cè)面分別裝有超聲波振動子，兩超聲振動子和脈沖電場處理室的有效區(qū)域同軸安裝。將液態(tài)食品注射入脈沖電場處理室后，調(diào)節(jié)對射的超聲波振動子距離，對液態(tài)食品施加超聲波場的同時施加脈沖電場。本發(fā)明利用超聲波場的空化效應(yīng)，能增強高壓脈沖電場對真菌孢子的細胞壁和細胞膜的電穿孔效果，提高滅菌效率。
【專利說明】基于脈沖電場和超聲波場的液態(tài)食品滅菌裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及滅菌裝置，尤其是涉及一種基于脈沖電場和超聲波場液態(tài)食品滅菌裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]利用脈沖電場技術(shù)對液態(tài)食品進行滅菌保鮮被認為是最具潛力的非熱加工技術(shù)之一，相較于傳統(tǒng)滅菌技術(shù)，該技術(shù)在有效滅菌的同時能大幅減少熱量的輸入，從而減少由于溫度升高而引起的液態(tài)食品的營養(yǎng)和風(fēng)味的損失。雖然脈沖電場技術(shù)的滅菌機理還沒有得到完全的闡述，但現(xiàn)今比較受認可的是脈沖電穿孔機理，脈沖電場能在瞬間擊穿細胞壁，使細胞膜電位混亂，造成細胞新陳代謝紊亂，部分細胞內(nèi)容物流出。然而現(xiàn)有脈沖電場技術(shù)主要應(yīng)用于對營養(yǎng)細胞的滅菌，其對真菌孢子的滅菌效果并不理想。
[0003]利用超聲波場對液態(tài)食品加工在食品加工領(lǐng)域非常普遍，如超聲乳化，超聲萃取等，然而單獨利用超聲波場對液態(tài)食品進行滅菌或酶抑制并沒有得到廣泛應(yīng)用，這主要是因為單純的超聲波處理對食品的滅菌效率較低。研究表明高密度且頻率在18?100 kHz的超聲波可在一定范圍內(nèi)對液態(tài)食品進行滅菌和酶抑制，特別是聯(lián)合加熱、加壓或抗菌劑的協(xié)同作用，可大大提高超聲波的滅菌效率。雖然超聲波滅菌的機理并未得到完全的闡明，但現(xiàn)今被大多數(shù)研究者認可的機理是超聲波在液體中產(chǎn)生的空化作用能夠形成5000 k的局部瞬間高溫和1000 atm的高剪切能量波，使細胞的細胞壁和細胞膜產(chǎn)生可逆或不可逆的破壞，從而殺死細胞。
[0004]現(xiàn)已有研究利用脈沖電場技術(shù)和超聲波場技術(shù)進行聯(lián)合滅菌，但大多還停留在先將液態(tài)食品用超聲波場進行預(yù)處理后再用脈沖電場技術(shù)處理或相反順序的分步聯(lián)合滅菌上，而沒有實現(xiàn)脈沖電場與超聲波場同時作用于液態(tài)食品的滅菌。當采用先超聲波預(yù)處理再采用脈沖電場處理的方法時，殺菌效果只是單一場滅菌效果線性相加，而沒有發(fā)揮兩個場的協(xié)同作用，能耗并沒有減少；當采用先脈沖電場處理再進行超聲波場處理的方法時，由于脈沖電場擊穿細胞膜，使細胞內(nèi)容物流出使液體黏度增加從而使空化閾變大，使超聲波場空化效應(yīng)減弱。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種基于脈沖電場和超聲波場液態(tài)食品滅菌裝置，使液態(tài)食品同時受到均勻高壓脈沖電場和均勻超聲波場的作用，增強高壓脈沖電場對真菌孢子的細胞壁和細胞膜的電穿孔效果，提高滅菌效率的同時減少液態(tài)食品的升溫。
[0006]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:
本發(fā)明是在油槽的底部設(shè)有兩根平行的滑軌，處理室絕緣支架的下端跨接在兩根平行的滑軌兩側(cè)，處理室絕緣支架的上端的U形槽中安裝有脈沖電場處理室；平行于兩根滑軌的螺桿穿過處理室絕緣支架，螺桿位于兩根滑軌上方，螺桿的兩端分別與油槽兩側(cè)構(gòu)成轉(zhuǎn)動副，螺桿的一端與安裝在油槽外的步進電機通過聯(lián)軸器相連；在脈沖電場處理室兩側(cè)的螺桿上對稱安裝螺紋旋向相反的左旋滑塊和右旋滑塊，左旋滑塊和右旋滑塊上端向內(nèi)的側(cè)面分別裝有第一超聲波振動子和第二超聲振動子，第一超聲波振動子、第二超聲振動子和脈沖電場處理室的有效區(qū)域同軸安裝；油槽側(cè)面上下分別設(shè)有出油孔和進油孔。
[0007]所述脈沖電場處理室，包括圓盤狀的高壓電極、圓盤狀的接地電極，絕緣隔離環(huán)、第一絕緣固定環(huán)和第二絕緣固定環(huán)；絕緣隔離環(huán)的一側(cè)與第一絕緣固定環(huán)的一側(cè)嵌入高壓電極，絕緣隔離環(huán)的另一側(cè)與第二絕緣固定環(huán)的一側(cè)嵌入接地電極，絕緣隔離環(huán)的徑向孔內(nèi)分別裝有排氣的頂部塑料單向閥和進樣的底部塑料單向閥，所述兩電極和絕緣隔離環(huán)之間構(gòu)成有效處理區(qū)域。
[0008]所述第一超聲波振動子和第二超聲波振動子為同一型號的喇叭型超聲波振動子并與同一超聲波發(fā)生器相連，所述兩超聲波振動子大端的直徑大于脈沖電場處理室的有效區(qū)域的直徑。
[0009]所述第一超聲波振動子大端和第二超聲波振動子大端間的距離為(η+1/4) λ，λ為超聲波波長，η為O?5的整數(shù)。
[0010]本發(fā)明具有的有益效果是:
當脈沖電場和超聲波場同時作用于液態(tài)食品時，利用超聲波空化效應(yīng)的局部高溫高壓和局部湍流，對真菌孢子的細胞壁和細胞膜進行活化，從而使脈沖電場更易穿透真菌孢子的細胞壁和細胞膜，造成細胞生長所需營養(yǎng)物質(zhì)流出。另一方面脈沖電場的電穿透效果使細胞膜產(chǎn)生瞬態(tài)孔隙，超聲波的震蕩作用使細胞內(nèi)容物從孔隙流出。解決了單一脈沖電場對真菌孢子滅菌效果不佳，單一超聲波場滅菌效率低的問題。同時由于超聲波場和脈沖電場對液態(tài)食品的熱量輸入較少，而使液態(tài)食品在產(chǎn)生較低溫升的情況下殺滅真菌孢子。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]圖1是本發(fā)明的三維結(jié)構(gòu)示意圖。
[0012]圖2是圖1的A-A方向剖視圖。
[0013]圖3是圖2的B-B方向剖視圖。
[0014]圖4是脈沖電場處理室的剖視圖。
[0015]圖中:1、脈沖電場處理室，2、第一超聲波振動子，3、左旋滑塊，4、油槽，5、進油孔，
6、滑軌，7、螺桿，8、處理室絕緣支架，9、步進電機，10、出油孔，11、右旋滑塊，12、第二超聲波振動子，13、第一絕緣固定環(huán)，14、絕緣隔離環(huán)，15、頂部塑料單向閥，16、接地電極，17、第二絕緣固定環(huán)，18、底部塑料單向閥，19、高壓電極，20、有效處理區(qū)域。
【具體實施方式】
[0016]下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明。
[0017]如圖1，圖2，圖3所示，在油槽4的底部設(shè)有兩根平行的滑軌6，處理室絕緣支架8的下端跨接在兩根平行的滑軌6兩側(cè)，處理室絕緣支架8的上端的U形槽中安裝有脈沖電場處理室I ;平行于兩根滑軌6的螺桿7穿過處理室絕緣支架8，螺桿7位于兩根滑軌6上方，螺桿7的兩端分別與油槽4兩側(cè)構(gòu)成轉(zhuǎn)動副，螺桿7的一端與安裝在油槽4外的步進電機9通過聯(lián)軸器相連；在脈沖電場處理室I兩側(cè)的螺桿7上對稱安裝螺紋旋向相反的左旋滑塊3和右旋滑塊11，左旋滑塊3和右旋滑塊11上端向內(nèi)的側(cè)面分別裝有第一超聲波振動子2和第二超聲振動子12，第一超聲波振動子2、第二超聲振動子12和脈沖電場處理室I的有效區(qū)域20同軸安裝；上述結(jié)構(gòu)都浸沒于裝有變壓器油的油槽中，油槽4側(cè)面上下分別設(shè)有出油孔10和進油孔5，并與蠕動泵連接，組成油冷循環(huán)系統(tǒng)。
[0018]如圖4所示，所述脈沖電場處理室1，包括圓盤狀的高壓電極16、圓盤狀的接地電極19、絕緣隔離環(huán)14、第一絕緣固定環(huán)13和第二絕緣固定環(huán)17 ;絕緣隔離環(huán)14的一側(cè)與第一絕緣固定環(huán)13的一側(cè)嵌入高壓電極16,高壓電極16與電壓(10~50 kV),脈寬(2~10μ s)，頻率(100~300 Hz)的脈沖電場發(fā)生器連接，絕緣隔離環(huán)14的另一側(cè)與第二絕緣固定環(huán)17的一側(cè)嵌入接地電極19，所述兩絕緣固定環(huán)通過四組螺栓螺母緊固件進行固定。絕緣隔離環(huán)14的徑向孔內(nèi)分別裝有排氣的頂部塑料單向閥15和進樣的底部塑料單向閥18，在向脈沖電場處理室I填充液態(tài)食品時用注射器從底部單向閥18向處理室有效區(qū)域20內(nèi)注射液態(tài)食品，處理室內(nèi)氣體由頂部單向閥15排出，直至頂部單向閥15有液體溢出，充滿液態(tài)食物的脈沖電場處理室1，所述兩電極和絕緣隔離環(huán)14之間構(gòu)成有效處理區(qū)域20。
[0019]如圖1,圖2所不,所述第一超聲波振動子2和第二超聲波振動子12為同一型號的喇叭型超聲波振動子并與同一超聲波發(fā)生器相連，所述兩超聲波振動子大端的直徑大于脈沖電場處理室I的有效區(qū)域20的直徑。
[0020]如圖1，圖2所示，所述第一超聲波振動子2大端和第二超聲波振動子12大端間的距離為(η+1/4) λ，λ為超聲波波長，η為O~5的整數(shù)。
[0021]本發(fā)明的工作原理:
圓盤狀的高壓電極19和接地電極16可以在有效處理區(qū)域20形成均勻的高壓脈沖電場，接線柱在圓盤邊緣從而減小了其對超聲波的干擾，剖面為凸臺形的絕緣隔離環(huán)14可以防止形成局部的電弧擊穿。在向脈沖電場處理室I填充液態(tài)食品時用注射器從底部單向閥18向處理室有效區(qū)域20內(nèi)注射液態(tài)食品，利用單向閥只允許單一方向的流體通過，使處理室內(nèi)液體無法從底部流出，氣體由頂部單向閥15排出，直至頂部單向閥15有液體溢出，將溢出液體清除，則完成待處理的裝填和排除氣泡。充滿液態(tài)食物的脈沖電場處理室I放置于絕緣托架8上，通過電腦控制步進電機9調(diào)整第一超聲波振動子2和第二超聲波振動子12末端間距離為(η+1/4) λ, λ為超聲波波長，η為整數(shù)。通過對射的聲波疊加消除單一超聲波振動子與反射波引起的駐波，實現(xiàn)脈沖電場處理室I的均勻超聲場。啟動蠕動泵并開啟進油孔5和出油孔10待變壓器油浸沒其他結(jié)構(gòu)，變壓器油具有良好的絕緣性，熱傳導(dǎo)性和聲傳導(dǎo)性，變壓器油不僅作為超聲波振動子和裸露的兩個電極的絕緣物質(zhì)，還作為超聲波傳導(dǎo)的耦合劑，也作為冷卻液從而控制控制電極和液態(tài)食品的溫度升高。
[0022]將第一超聲波振動子2第二超聲波振動子12和超聲波發(fā)生器(功率0-950 W)連接，開啟并記錄超聲波處理時間。將高壓電極19和接地電極16分別與高壓脈沖發(fā)生器的接線端子連接，開啟并調(diào)節(jié)高壓脈沖發(fā)生器輸出脈沖的參數(shù):電壓(10~50 kV)，脈寬(2~10 μ S)，頻率(100~300 Hz)。其在有效處理區(qū)域20形成高強度的均勻脈沖電場(10~50 kV/cm)，記錄脈沖電場處理時間。處理一段時間后，先關(guān)閉脈沖發(fā)生器，后關(guān)閉超聲波發(fā)生器，用注射器從頂部單向閥18抽取處理后的液態(tài)食品。
[0023]當脈沖電場和超聲波場同時作用于液態(tài)食品時，利用超聲波空化效應(yīng)的局部高溫高壓和局部湍流，對真菌孢子的細胞壁和細胞膜進行活化，從而使脈沖電場更易穿透真菌孢子的細胞壁和細胞膜，造成細胞生長所需營養(yǎng)物質(zhì)流出。另一方面脈沖電場的電穿透效果使細胞膜產(chǎn)生瞬態(tài)孔隙，超聲波的震蕩作用使細胞內(nèi)容物從孔隙流出。解決了單一脈沖電場對真菌孢子滅菌效果不佳，單一超聲波場滅菌效率低的問題。同時由于超聲波場和脈沖電場對液態(tài)食品的熱量輸入較少，而使液態(tài)食品在產(chǎn)生較低溫升的情況下殺滅真菌孢子。
[0024]實施例:
本發(fā)明所涉及的基于脈沖電場和超聲波場的液態(tài)食品滅菌裝置主要參數(shù)為:高壓電極和接地電極之間的距離為5 mm，有效處理區(qū)域半徑為25 mm，有效處理容量約為9.8ml。超聲波振動子半徑為30 mm，超聲波超聲波發(fā)生器功率為0-50 W，頻率為2(T25 kHz，高壓脈沖發(fā)生器輸出脈沖的電壓為1(T50 kV，脈寬為2~10 μ S，頻率為10(T300 Hz0現(xiàn)以該裝置和方法應(yīng)用于紹興黃酒中釀酒酵母菌的滅菌為例，對該裝置和方法的實施做進一步闡述:
1、將經(jīng)過預(yù)處理的含釀酒酵母菌孢子的紹興黃酒(初始溫度20 °C，電導(dǎo)率0.2 s/m)用注射器從底部單向閥注入，待頂部單向閥有液體溢出，將溢出液體清除后，完成對處理室有效處理區(qū)域的填充和排除氣泡。將脈沖電場處理室置于處理室絕緣支架上并浸沒于油槽變壓器油中(初始溫度20 °C，運動黏度50 V≤9.6X10_6m2/s)，開啟油槽蠕動泵。
[0025]2、通過步進電機調(diào)整兩個同軸的超聲波振動子末端距離為78.65mm，調(diào)整超聲波發(fā)生器功率至650 W，在有效處理區(qū)域內(nèi)形成相對均勻超聲場并持續(xù)處理10 S。在兩個電極施加峰值電壓為30 kV、脈寬為3 μ8、頻率為120 Hz的脈沖，在有效處理區(qū)域內(nèi)形成相對均勻的電場，其平均電場強度為27.03 kV/cm并持續(xù)處理20 μ8。通過溫度傳感器測量黃酒溫度變化。
[0026]3、使用相同裝置進行單一超聲波場滅菌10 s和單一脈沖電場滅菌20 Ks滅菌試驗。采用超聲波場和脈沖電場協(xié)同滅菌方式滅菌，紹興黃酒釀酒酵母菌孢子殺菌數(shù)達5個對數(shù)級，殺菌效率較單一脈沖電場滅菌技術(shù)提高20%,且黃酒溫升在8 °C以內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種基于脈沖電場和超聲波場的液態(tài)食品滅菌裝置，其特征在于: 在油槽(4)的底部設(shè)有兩根平行的滑軌(6)，處理室絕緣支架(8)的下端跨接在兩根平行的滑軌(6)兩側(cè)，處理室絕緣支架(8)的上端的U形槽中安裝有脈沖電場處理室(I);平行于兩根滑軌(6 )的螺桿(7 )穿過處理室絕緣支架(8 )，螺桿(7 )位于兩根滑軌(6 )上方，螺桿(7)的兩端分別與油槽(4)兩側(cè)構(gòu)成轉(zhuǎn)動副，螺桿(7)的一端與安裝在油槽(4)外的步進電機(9)通過聯(lián)軸器相連；在脈沖電場處理室(I)兩側(cè)的螺桿(7)上對稱安裝螺紋旋向相反的左旋滑塊(3)和右旋滑塊(11)，左旋滑塊(3)和右旋滑塊(11)上端向內(nèi)的側(cè)面分別裝有第一超聲波振動子(2)和第二超聲振動子(12)，第一超聲波振動子(2)、第二超聲振動子(12)和脈沖電場處理室(I)的有效區(qū)域(20)同軸安裝；油槽(4)側(cè)面上下分別設(shè)有出油孔(10)和進油孔(5)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于脈沖電場和超聲波場的液態(tài)食品滅菌裝置，其特征在于:所述脈沖電場處理室(1)，包括圓盤狀的高壓電極(16)、圓盤狀的接地電極(19)，絕緣隔離環(huán)(14)、第一絕緣固定環(huán)(13)和第二絕緣固定環(huán)(17);絕緣隔離環(huán)(14)的一側(cè)與第一絕緣固定環(huán)(13)的一側(cè)嵌入高壓電極(16)，絕緣隔離環(huán)(14)的另一側(cè)與第二絕緣固定環(huán)(17)的一側(cè)嵌入接地電極(19)，絕緣隔離環(huán)(14)的徑向孔內(nèi)分別裝有排氣的頂部塑料單向閥(15)和進樣的底部塑料單向閥(18)，所述兩電極和絕緣隔離環(huán)(14)之間構(gòu)成有效處理區(qū)域(20)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于脈沖電場和超聲波場的液態(tài)食品滅菌裝置，其特征在于:所述第一超聲波振動子(2)和第二超聲波振動子(12)為同一型號的喇ΠΛ型超聲波振動子并與同一超聲波發(fā)生器相連，所述兩超聲波振動子大端的直徑大于脈沖電場處理室(I)的有效區(qū)域(20)的直徑。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于脈沖電場和超聲波場的液態(tài)食品滅菌裝置，其特征在于:所述第一超聲波振動子(2)大端和第二超聲波振動子(12)大端間的距離為(n+1/4)λ，λ為超聲波波長，η為O?5的整數(shù)。
【文檔編號】A23L3/32GK103876241SQ201410101654
【公開日】2014年6月25日 申請日期:2014年3月19日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月19日
【發(fā)明者】王劍平, 呂陳昂, 郭儉, 黃康, 張劍一 申請人:浙江大學(xué)