一种基于欧姆加热的蛋白凝胶类食品加热凝固装置的制作方法

本发明涉及一种食品加热凝固制作装置，特别涉及一种基于欧姆加热的蛋白凝胶类食品加热凝固装置。

背景技术：

随着人们生活水平的提高，大豆、鸡蛋和牛奶的营养价值越来越受人们的重视。科学研究表明，豆腐等豆制品可以预防骨质疏松、心血管疾病、减轻妇女更年期综合症等，具有防病保健作用。鸡蛋羹等富含卵磷脂、蛋白质则具有健脑益智、保护肝脏、防治动脉硬化、预防癌症、延缓衰老等功能；而牛奶布丁等乳品则具有补肺养胃、生津润肠、促进心脏和神经系统的耐疲劳性、润泽肌肤、促进骨骼发育等功效。因此，作为由大豆、鸡蛋、牛奶等浆状材料加热凝固成凝胶状蛋白凝胶类食品，如：豆腐、鸡蛋羹、鸡蛋牛奶布丁、酸奶等不仅蛋白质含量丰富，同时也富含人体所必需的多种氨基酸，钙、磷、铁等矿物质，以及多种维生素和纤维素等，营养价值极高，且品种丰富，风味、口感多样，故深人们喜爱。

蛋白凝胶类食品的制作过程就是通过对豆浆、牛奶、蛋液等浆状材料加热，加速蛋白分子的剧烈运动，由于分子间相互撞击，拆断维持蛋白质空间结构的氢键，改变原有蛋白质的空间结构，从而破坏外部的水化膜，除去分子外的双电层，使内部蛋白质结合一起，形成溶胶，即使蛋白质热变性。并保温一段时间发生凝胶反应，最终凝胶成型。即具有加热和保温凝固阶段。加热时间过长或过短，则会分别造成多肽分解和盐析反应，不利于凝胶的凝固成型；而加热速率过快则会导致凝胶质构不均匀；保温温度过高或过低，则分别会造成食品营养成分损失大及无法发生凝胶反应；保温时间过短则会导致凝胶成型不充分。因此，加热速率，保温凝固温度、保温时间直接影响蛋白凝胶类食品的凝胶形成速率、凝固程度及质构品质。

对于鸡蛋羹、鸡蛋牛奶布丁等制作，目前还没有独立的制作装置，普遍使用烤箱、蒸锅等加热装置对其加热制作。因此不易控制加热速率，保温温度及时间，完全凭借经验，制作难度较大，研究表明，当加热速率过快，凝固温度高于80℃时，蛋白质分子之间碰撞剧烈，凝胶网络形成速率快，卷曲的蛋白质分子不能充分的伸展，致使内部的疏水集团不能充分暴露在分子表面，因此会影响鸡蛋牛奶布丁的质构。且凝固温度不同，完全凝固时间也会发生较大变化，从而影响凝固硬度，即品质。

而市场上已存在单独制作酸奶的酸奶机，其主要通过电阻丝加热方式对牛乳进行保温发酵成型。但温度恒定(45度左右)，无法进行高温加热，故只能制作酸奶，功能单一。

而豆腐的制作则主要通过直火加热、电阻丝加热、蒸汽加热等方式煮浆使生豆浆中的大豆蛋白质产生热变性，并在保温过程中通过凝固剂的作用，发生凝胶反应形成凝胶状豆腐。而这些传统加热方式都会使煮浆过程中豆浆内部温度分布不均，影响煮浆质量，易使凝胶状豆腐凝固失败，且会导致豆腐色泽不均，影响豆腐的强度和质构均匀性，造成能耗高、热量浪费严重，增加豆腐的生产成本。因此，有效地控制加热速率和凝固温度、凝固时间对蛋白凝胶类食品的制作至关重要。然而由于不同的蛋白凝胶类食品，所需的最佳加热速率、凝固温度和凝固时间也各不相同，因此目前市场上还未出现一种独立制作多种蛋白凝胶类食品的多功能装置。

欧姆加热作为一种具有发展潜力的新型加热方法，利用食品本身的介电性质，通过向物料两端施加电场，使其内部产生电流，将电能转化为热能，引起食品温度升高，从而达到直接均匀加热杀菌的目的。与其他传统加热方法相比如：热传导、热对流和热辐射加热，具有加热快速、加热均匀、可以精确控制加热温度、电能转换率可达95％和环境友好，不存在加热面产生结垢、焦糊等现象等优点，特别适合于蛋白质、氨基酸含量高的凝胶类、液体、黏稠体等食品的加热处理。同时整个系统操作时无噪音、无污染。由于蛋液、牛奶、豆浆含有丰富的蛋白质、氨基酸、矿物质离子等大量电解质，导电性能优良，适合欧姆加热，故使得应用欧姆加热制作蛋白凝胶类食品成为可能。因此开发一种低成本，操作简单，功能齐全，可制作多种蛋白凝胶类食品的欧姆加热凝固装置具有广阔的市场前景及意义。

技术实现要素：

为了降低豆腐、鸡蛋羹、鸡蛋牛奶布酸奶等蛋白凝胶类食品的制作难度，提高蛋白凝胶类食品的制作效率及品质，填补市场上家用蛋白凝胶类食品独立制作加工装置的空白，本发明提供一种基于欧姆加热的蛋白凝胶类食品加热凝固装置，通过加热速率、加热温度、保温时间的精确控制，实现一键式方便制作多种蛋白凝胶类食品：内酯豆腐、鸡蛋牛奶布丁、鸡蛋羹、酸奶等，以及牛奶、豆浆、果汁等液态食品杀菌热处理。

本发明是通过以下方案实现：一种基于欧姆加热的蛋白凝胶类食品加热凝固装置，该装置包括控制面板(1)、机盖(2)、机身(3)、底座(4)、电源开关(5)、三孔电源插座(6)；控制面板(1)由led指示灯(101)、功能按键(102)、lcd1602液晶显示屏(103)组成，控制面板(1)通过背胶3m468粘贴在上机盖(201)上，其控制端通过导线与控制电路板(203)的相应接口连接；机盖(2)由上机盖(201)、下机盖(202)、控制电路板(203)、上耦合器(204)、ds18b20温度传感器防水探头(205)组成，上机盖(201)通过螺钉与下机盖(202)连接，控制电路板(203)和上耦合器(204)分别通过螺钉固定在下机盖(202)上，ds18b20温度传感器防水探头(205)通过螺母连接从下机盖(202)中部伸出，在装置盖紧机盖(2)工作时，实现加热内胆内食品温度的检测采集，其输出端通过导线与控制电路板(203)的相应接口连接；机身(3)由机身外壳(301)、、加热内胆(302)、电极板(303)、不锈钢弹簧片(304)、下耦合器(305)组成，两个电极板(303)通过螺栓连接平行相对固定在加热内胆(302)两端，与机身外壳(301)两端的不锈钢弹簧片(304)紧密接触，两个不锈钢弹簧片(304)通过螺栓固定在机身外壳(301)两端，其螺栓伸出端通过导线分别连接市电220v电源负极和下耦合器(305)的电极端口，通过上下耦合器(204、305)的结合，实现与控制电路板(203)上固态继电器(701)输出端口的连接；三孔电源插座(6)的外端可与电源插头连接，内端通过导线与电源开关(5)串联，并通过上耦合器(204)和下耦合器(303)的结合，与控制电路板(203)的电源输入端连接；底座(4)通过螺钉与机身外壳连接。本装置基于欧姆加热(通电加热)采用pwm过零调功控制方式，通过对工作电压、电流和食品温度值等数据信息的实时检测采集，经过相关计算，由单片机输出一定占空比的pwm信号控制固态继电器周期通断，从而调节输出功率，精确控制蛋白凝胶类食品加热过程中加热速率的恒定，凝固过程中凝固温度的保持。用户可通过功能按键(102)人工设置加热速率、凝固温度和凝固时间或一键式操作实现多种蛋白凝胶类食品的加热凝固制作及液态食品杀菌热处理。

本发明的优点是：

为了满足人们对家用蛋白凝胶类食品制作装置的需求，降低豆腐、鸡蛋羹、鸡蛋牛奶布丁、酸奶等蛋白凝胶类食品的制作难度，提高蛋白凝胶类食品的制作效率及品质，填补市场上蛋白凝胶类食品独立制作加工装置的空白，本发明提供一种基于欧姆加热的蛋白凝胶类食品加热凝固装置，其功能齐全，操作简单，小巧美观，加热均匀，温度波动小，电能转换效率高，成本较低，并安全可靠。

附图说明

图1为本发明的蛋白凝胶类食品加热凝固装置外观结构示意图

图2为本发明的控制面板示意图

图3为本发明的上机盖示意图

图4为本发明的下机盖示意图

图5为本发明的机身示意图

图6为本发明的底座示意图

图7为本发明的控制电路板示意图

图8为本发明的固态继电器内部电路原理图

具体实施方式

参阅图1、图2、图3、图4、图5和图6，本发明的一种基于欧姆加热的蛋白凝胶类食品加热凝固装置，包括控制面板(1)[led指示灯(101)、功能按键(102)、lcd1602液晶显示屏(103)]、机盖(2)[上机盖(201)、下机盖(202)、控制电路板(203)、上耦合器(204)、ds18b20温度传感器防水探头(205)]、机身(3)[机身外壳(301)、、加热内胆(302)、电极板(303)、不锈钢弹簧片(304)、下耦合器(305)]、底座(4)、电源开关(5)、三孔电源插座(6)。装置尺寸为240*215*280mm³(长*宽*高)、加热内胆(302)尺寸为160*160*130mm³(长*宽*高)、制作容量为2l；最大输出功率为1700w；装置外壳为abs树脂材质，通过3d打印成型；加热内胆(302)为食品级玻纤增强型pp板材质，具有安全无毒、耐高温、机械强度高、优良的化学稳定性和电绝缘性、质轻等特点；电极板(303)为316食品级不锈钢材质；控制面板(1)为磨砂pc材质，ds18b20温度传感器防水探头(205)为316不锈钢封装，探头长100cm，具有防水、防锈、三重绝缘等特点。

具体工作过程：

打开机盖，将一定量的液态食品(牛奶、蛋液、或豆浆)缓缓倒入加热内胆(302)中，盖紧机盖，使上耦合器(204)和下耦合器(305)紧密结合；将电源插头插入三孔电源插座(6)与220v市电连接，打开电源开关(5)，lcd1602液晶显示屏(103)显示当前设置界面，按下设置按键，通过加、减按键可人工设定加热速率、凝固温度、凝固时间；或直接按下相应食品的按键(豆腐、布丁、酸奶、豆浆)，系统自动设定最佳的制作参数；设置完成后按下启动/停止按键，此时，加热led指示灯亮(红色)，指示装置进入加热工作状态；到达凝固温度后，加热led指示灯灭，保温led指示灯亮(绿色)，指示装置进入保温凝固工作状态；保温凝固时间到达后，保温led指示灯灭，结束led指示灯(黄色)亮，同时装置发声报警，提示工作结束。在整个制作过程中，lcd1602液晶显示屏(103)实时显示当前加热速率、凝固温度及剩余凝固时间等信息。用户也可通过rs232转usb数据线与控制电路板(203)上的串口通信母座连接，实时获取装置工作数据信息，用于实验分析。

参阅图7，本发明的控制电路板(203)为本装置的主控板，控制电路板(203)为双面pcb板，尺寸为175*106*1.6mm3(长*宽*厚)；主要包括固态继电器g3nb-240b-1(701)、串口通信电路(702)、lcd1602液晶显示电路(703)、功能按键电路(704)、led指示电路(705)、单片机最小系统电路(706)、蜂鸣器发声报警电路(707)、dht11温湿度检测电路(708)、ds18b20温度检测电路(709)、dc+5v开关电源模块(710)、电压采集电路(711)、电流采集电路(712)；串口通信电路(702)主要包括rs232母座、电平转换芯片max232及外围电路，其发送、接收端口分别连接单片机相应串口引脚，通过rs232转usb数据线与上位机连接，实现数据信息的双向传输；lcd1602液晶显示电路(703)主要由lcd1602液晶显示屏(103)及外围电路组成，其数据端及控制端分别与单片机相应io引脚连接，实现装置运行过程中数据信息(加热速率、凝固温度、时间、湿度、电压、电流、功率等)的实时显示；功能按键电路(704)主要由8个功能按键(102)组成，功能按键(102)的一端共地，另一端与单片机相应的io引脚连接；用户通过功能按键(102)进行人机交互，可实现装置工作启停、参数设置、显示界面切换以及多种蛋白凝胶类食品的一键式制作功能；led指示电路(705)由三个不同颜色的led指示灯(101)分别串联限流电阻组成，三路led指示电路(705)一端接dc+5v，另一端分别连接单片机相应i/o引脚，在装置进入不同工作阶段，由单片机控制输出低电平，分别导通三路led指示灯(705)，发出不同颜色亮光，指示不同的工作状态(加热、保温、结束状态)；单片机最小系统电路(706)由stc12c5a60s2单片机、复位电路、晶振电路组成，实现对装置系统的控制；蜂鸣器发声报警电路(707)主要包括有源蜂鸣器，有源蜂鸣器一端连接dc+5v，另一端与单片机相应i/o引脚连接，由单片机驱动有源蜂鸣器，控制其开启关闭，发出不同操作时的提示报警声音(开机提示音、错误故障提示音、工作结束提示音和按键操作提示音)；dht11温湿度检测电路(708)由dht11温湿度传感器及外围电路组成，其数据输出端连接单片机相应io引脚，实现对装置机盖(2)内控制电路板(203)工作环境温度、湿度的监测；ds18b20温度检测电路(709)由ds18b20温度传感器防水探头(205)和外围电路组成，其数据输出端连接单片机相应i/o引脚，ds18b20温度传感器防水探头(205)通过螺纹安装并从下机盖(202)伸出，实时检测采集加热内胆中的食品温度；dc+5v开关电源模块(710)采用tl431三端稳压基准源精确控制，将市电ac220v转为dc+5v，为控制电路板(203)提供dc+5v工作电源；其ac输入端通过导线分别连接上耦合器(204)的220v电源正极端口及220v电源负极端口，dc输出端分别连接dc+5v和公共地gnd；电压采集电路(711)由1∶1电压互感器及相应的采样电路组成，其输入端通过导线并联在上耦合器(204)电极端口和220v电源正极端口，其输出端与单片机adc0i/o引脚连接，将采集的模拟电压信号ad转换为数字信号，实现加热内胆(302)两端输出电压的实时检测及数据反馈；电流采集电路(712)由额定电流比为10a/10ma电流互感器l1及外围电路组成，其输入端通过导线串联在主电路中，其输出端与单片机adc1i/o引脚连接，将采集的电流信号ad转换为数字信号，实现加热内胆(302)内电流的实时检测及数据反馈。

参阅图8，本发明的固态继电器g3nb-240b-1(701)内部主要由bt138-600双向可控硅q1、moc3063过零光耦可控硅驱动器u2及相应辅助电路组成，bt138-600双向可控硅q1的输入端a1、输出端a2通过导线分别连接上耦合器(204)的220v电源正极端口及电极端口，在上下耦合器(204、305)紧密结合下，实现与市电220v电源正极和电极板(303)的导通；电容c1和电阻r1组成rc阻容吸收电路并联在双向可控硅q1两端，吸收反向尖峰电压，实现双向可控硅的过电压保护。过零光耦可控硅驱动器u1内部由红外发光二极管led、过零检测光控双向可控硅组成，具有直流低电压控制交流高电压、电气隔离作用。其输入端1脚接直流电压+5v，输入端2脚接单片机相应i/o引脚，由单片机输出pwm信号，控制红外发光二极管led导通发光；其输出端6脚通过触发限流电阻r2与双向可控硅q1的输入端a1相连，输出端4脚与bt138-600双向可控硅q1的g极相连，并通过门极电阻r5与双向可控硅q1的输出端a2相接；门极电阻r5防止误触发，提高抗干扰能力。当过零光耦可控硅驱动器u1内发光二极管led导通发光，同时市电220v交流电压过零点时，过零检测光控双向可控硅触发导通，同时输出端4脚产生触发信号，进一步触发双向可控硅q1导通，接通交流负载，输出连续的交流电压。即通过控制pwm输入信号的占空比调整输出电压的周波个数，从而改变输出功率，精确控制加热速率及温度。