一种基于冰晶体调控的低频超声辅助液化CO2速冻装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于冰晶体调控的低频超声辅助液化CO2速冻装置及方法，属于食品加工技术领域中的冷冻加工技术范畴。本发明专利技术方法按照以下三段式操作进行：（1）果蔬原料预处理及预冷；（2）急速冷冻。其流程主要包括液化CO2对果蔬物料急速降温、超声辅助冻结果蔬调控冰晶体；（3）冻藏。本发明专利技术通过降温及加压的方式将CO2气体液化，作为冷冻介质及超声传播的液体介质，实现低频超声辅助液化CO2速冻。整个速冻过程分为三段式操作，最大限度降低了物料冷冻时间，冰晶形成过程受到调控。相比

【技术实现步骤摘要】
一种基于冰晶体调控的低频超声辅助液化CO2速冻装置及方法


[0001]本专利技术涉及食品加工
中的冷冻加工技术范畴，具体是一种基于冰晶体调控的低频超声辅助液化CO2速冻装置及速冻方法。

技术介绍

[0002]如今，冷冻已成为食品加工和保存的重要手段，特别是对于长期贮藏和运输的场合，被认为是理想的选择。研究表明，当冻结速度较慢时，冷冻对食品带来的伤害尤其明显，因为水分子会逐渐向晶核迁移，冰晶不断生长。在不同类型的食品中，具有细胞壁结构的新鲜果蔬对冻害更敏感。冰晶对冷冻果蔬的机械损伤是导致产品质量恶化的主要原因之一。另一方面，慢冻会产生浓缩效应。在冻结过程中，液态水逐渐变成固态冰，自由水含量减少，导致果蔬细胞中离子浓度增加。这会增加细胞内生化反应的速率，加速产品的变质。快速冷冻可以有效减少冷冻对新鲜果蔬的损害，因为在这样的条件下，产品温度可以迅速越过最大冰晶生成带，从而阻止水分子的迁移，最终形成均匀且细小的冰晶，所以国内外在冷冻领域提倡快速冷冻。
[0003]在速冻基础上，近年来为了获得更好的冷冻效应，越来越多的研究集中于使用物理领域技术协助冷冻操作，如超声波，微波，远红外线，高压，电场，磁场，射频，等等。与单纯速冻相比，有效的物理场辅助或协同应用进一步提高了速冻食品的产品质量，有利于在冻结过程中形成均匀、细小的冰晶。随着研究的深入，应用物理场来辅助速冻食品的潜在优势也逐渐显现出来。这其中，低频超声波的辅助冷冻效果显著。由于低频超声波产生的气泡能作为初次成核的晶核，促进冰晶形成，并且低频超声波产生的微射流和冲击波还能将已存在的大的枝状冰晶体破碎，形成小的冰晶，促进二次成核。低频超声波空穴气泡破裂瞬间产生的高压能引发产生更大的过冷，为晶核的形成提供驱动力。此外，低频超声波还加快了传热效率，避免了因潜热释放带来的局部回温和冰晶融化。因此，低频超声很大程度地提高了物料在冷冻过程中的冷冻效率。
[0004]Zhang等人（2020）研究了低频超声辅助浸泡冷冻对鸡胸肉品质的影响。结果表明，与单纯空气冷冻和浸泡冷冻相比，低频超声可以显著缩短冷冻时间，减少解冻后营养物质的损失，控制水分的流动。超声处理后冷冻鸡胸肉中形成的冰晶细小均匀。Fan等人（2020）研究了一种利用低频超声波辅助渗透脱水冷冻猕猴桃的新方法。超声波的应用缩短了冷冻时间，减少了滴失，有效地保持了猕猴桃的品质。Tian等人（2021）研究了恒频/变频超声辅助技术对含有纳米气泡的粘性食品模型系统冻结的影响，结果表明超声的应用改善了冻结过程，促进了相变。Astr
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in 等人（2021）研究表明低频超声波直接作用于鸡胸样品而不通过液体介质也可以提高其冷冻效果，超声波在0.39 W/cm
‑2条件下对蘑菇的冷冻效果最好。
[0005]孙大文等（专利号：201310100261.6）报道了变频超声波强化提高荔枝冷冻速度与品质的方法，结果显示合适的超声波条件能够显著缩短荔枝的冷冻时间，提高产品的品质，并且于
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18℃的冷库中冻藏一年表皮颜色没有发生明显变化。孙大文等（专利号：201310100237.2）报道了变功率超声波改善盐水浸渍冷冻鱼片的方法，所采用的合适超声
波功率能够缩短冷冻时间 10%~15%，降低解冻后的汁液流失率18%~23% 和盐溶蛋白15%~20%。
[0006]尽管超声波在辅助冷冻方面发挥出积极作用，然而在应用过程中发现，超声辅助速冻技术中往往需求化学液体介质做冷冻介质，对食品成分、口感及食品安全带来不利影响。
[0007]CO2气体较容易液化，通过降温及加压的方式将CO2气体液化，可以作为冷冻介质及超声传播的液体介质，用于食品速冻无污染、无残留。然而，该方法对设备技术条件要求较高。一方面，设备需要具有极好的密封条件，能够充入CO2并实现降温加压将其液化；另一方面，需要解决冷冻室钢板应具有一定厚度来承受内部压强和超声穿透需求较薄钢板之间的矛盾。此外，还需要解决在不泄压的前提下，物料的投放和取出难题。因此，目前为止，在食品冷冻上鲜有采用液化CO2作为超声辅助冷冻介质的相关研究。

技术实现思路

[0008]为有效控制冷冻食品内冰晶体尺寸提升冻结品质，本专利技术提供一种液化CO2和低频超声波联合处理降低冷冻食品冰晶体尺寸提高食品速冻效率及品质的方法，采用液化CO2取代传统超声浸渍冷冻中使用的化学液体介质，既可以发挥液化CO2的高效冷冻特性，同时避免了传统冷冻介质对食品品质带来的不利影响，并可以充分发挥出低频超声波在控制冰晶体方面的作用。
[0009]为了实现上述技术目的，本专利技术采用如下技术手段：一种基于冰晶体调控的低频超声辅助液化CO2速冻装置，包括：冷冻室；抽真空设备，通过抽气管道与所述冷冻室的内腔连接；CO2气体供应装置，通过二氧化碳输入管道与所述冷冻室的内腔连接；加压泵，通过加压管道和所述冷冻室的内腔连接，用于将充入的CO2气体进行加压液化；压力表，用于检测所述冷冻室内腔的压力；第一温度传感器，用于检测所述冷冻室的腔内温度；第二温度传感器，用于检测位于冷冻室内物料的中心温度；样品自动升降台，位于所述冷冻室的腔内底部，用于将物料提升至脱离液化CO2液面；分隔板，位于所述冷冻室的腔内上部，用于将所述冷冻室的内腔分隔为脱离液化CO2液面的上部腔室和盛装液化CO2的下部腔室，将下部液化CO2进行单独密封；超声换能器，用于向所述冷冻室的内腔发射低频超声波。
[0010]所述冷冻室为耐压圆柱形，耐压圆柱形的所述冷冻室外壁上均匀布设若干个弧形超声换能器，每个所述弧形超声换能器的频率为28 kHz，每个换能器功率为100 W，作用模式为脉冲方式。
[0011]圆柱形的所述冷冻室的底部为内凹的弧面，能够承受腔体内大于10 MPa压力。
[0012]还包括CO2回收装置，用于冷冻室内CO2回收。
[0013]一种物料速冻方法，采用所述基于冰晶体调控的低频超声辅助液化CO2速冻装置，
包括以下步骤：S1、物料预处理及预冷；S2、急速冷冻，将CO2气体液化并降温至
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40℃以下，以液化后的CO2为冷冻介质实现对物料的急速冻结，期间开启低频超声辅助冻结物料调控冰晶体，具体是：4 ~ 0℃移除潜热阶段；0 ~
ꢀ‑
5℃相变阶段，待第二温度传感器检测到物料中心温度下降至0℃时，开启超声换能器，其作用频率为28 kHz，强度为0.1~0.6 W/cm2，作用模式为脉冲方式，开10 s，关10 s；当第二温度传感器检测到物料中心温度下降至
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5℃时，关闭超声换能器；
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5 ~
ꢀ‑
18℃深冻降温阶段， 当第二温度传感器检测到物料中心温度下降至
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18℃时，冷冻完成；液化CO2冷冻时物料中心温度穿过最大冰晶生成带
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1~
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5℃时间低于2 min，冷冻至
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18℃时间小于10 min；S3、打开样品自动升降台，将物本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于冰晶体调控的低频超声辅助液化CO2速冻装置，其特征在于，包括：冷冻室；抽真空设备，通过抽气管道与所述冷冻室的内腔连接；CO2气体供应装置，通过二氧化碳输入管道与所述冷冻室的内腔连接；加压泵，通过加压管道和所述冷冻室的内腔连接，用于将充入的CO2气体进行加压液化；压力表，用于检测所述冷冻室内腔的压力；第一温度传感器，用于检测所述冷冻室的腔内温度；第二温度传感器，用于检测位于冷冻室内物料的中心温度；样品自动升降台，位于所述冷冻室的腔内底部，用于将物料提升至脱离液化CO2液面；分隔板，位于所述冷冻室的腔内上部，用于将所述冷冻室的内腔分隔为脱离液化CO2液面的上部腔室和盛装液化CO2的下部腔室，将下部液化CO2进行单独密封；超声换能器，用于向所述冷冻室的内腔发射低频超声波。2.根据权利要求1所述的基于冰晶体调控的低频超声辅助液化CO2速冻装置，其特征在于，所述冷冻室为耐压圆柱形，耐压圆柱形的所述冷冻室外壁上均匀布设若干个弧形超声换能器，每个所述弧形超声换能器的频率为28 kHz，每个换能器功率为100 W，作用模式为脉冲方式。3.根据权利要求1所述的基于冰晶体调控的低频超声辅助液化CO2速冻装置，其特征在于，圆柱形的所述冷冻室的底部为内凹的弧面，能够承受腔体内大于10 MPa压力。4.根据权利要求1所述的基于冰晶体调控的低频超声辅助液化CO2速冻装置，其特征在于，还包括CO2回收装置，用于冷冻室内CO2回收。5.一种物料速冻方法，采用如权利要求1~4中任一所述基于冰晶体调控的低频超声辅助液化CO2速冻装置，其特征在于，包括以下步骤：S1、物料预处理及预冷；S2、急速冷冻，将CO2气体液化并降温至
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40℃以下，以液化后的CO2为冷冻介质实现对物料的急速冻结，期间开启低频超声辅助冻结物料调控冰晶体，具体是：4 ~ 0℃移除潜热阶段；0 ~
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5℃相变阶段，待第二温度传感器检测到物料中心温度下降至0℃时，开启超声换能器，其作用频率为28 kHz，强度...

【专利技术属性】
技术研发人员：张慜，姜齐永，范东翠，
申请(专利权)人：江南大学，
类型：发明
国别省市：