应用高压脉冲感应电流加工食品的设备及加工方法

应用高压脉冲感应电流加工食品的设备及加工方法
【专利摘要】本发明公开了应用高压脉冲感应电流加工食品的设备，包括直流高压脉冲电流发生器，直流高压脉冲电流发生器连接感应线圈，直流高压脉冲电流发生器产生直流高压脉冲电流作用于感应线圈上，使感应线圈内产生脉冲形式的磁感应通量变化，感应线圈产生的脉冲形式的磁感应通量变化作用在高导磁率的导磁线圈上，在导磁线圈内部或附近形成磁感应通量变化。本发明的有益效果是以非接触方式使待处理食物表面和内部的微生物细胞膜被脉冲电流永久性击穿消除。从而克服了现有加热灭菌方法会破坏食品营养和风味的弊病，避免了现有高压脉冲电场方法需要电极接触食品带来的各种问题，并将其适用范围从液态食品扩大到固态或颗粒状食品。
【专利说明】应用高压脉冲感应电流加工食品的设备及加工方法
【技术领域】
[0001]本发明属于食品加工【技术领域】，涉及应用高压脉冲感应电流加工食品的设备及加工方法。
【背景技术】
[0002]高压(或称高强度)脉冲电场(Pulsed Electric Fields, PEF)是一种新型的非热食品杀菌技术，它是以较高的电场强度(10-501^/(^)、较短的脉冲宽度(0-10(^8)和较高的脉冲频率(0-2000HZ)对液体、半固体食品进行处理，并且可以组成连续杀菌和无菌灌装的生产线。其杀菌原理是通过脉冲电流与微生物细胞膜直接作用，破坏细胞膜的结构，形成“电穿孔”而导致微生物灭活。
[0003]但目前的PEF技术具有下述缺点:
[0004](I)脉冲电场会影响蛋白质基团间的静电相互作用和带电基团的定位，扰乱蛋白质氨基酸残基间的电场分布和静电相互作用，导致电荷分离，从而影响蛋白质的结构(二级和三级)。(2)电极周围的电化学反应会对包括蛋白质在内的食品组分产生一定影响。(3)由于电化学反应会引起电极腐蚀，电极中的铁、铬、镍、锰等金属物质会释放到食品中。(4)电极电化学反应的产物，例如一些自由基、活性氯、活性氧等很可能引发脂质由单重态氧、自由基和其他氧化性物质引发氧化反应(链式反应)，产生一系列复杂的氧化产物。(5) PEF对食品碳水化合物组分和维生素的影响较大。(6)PEF技术的最大局限是只能用于液态食品(如牛奶和果汁)，对半固态食品效果差，而固态食品基本上无法运用。主要原因是电极和加工食品不能良好接触，固态食品内部的非均匀结构和导电性差异也影响灭菌效果。
[0005]利用高压脉冲电场灭菌是近年来国外较活跃的研究领域，已有较多专利公开。国内主要专利申请来自各大专院校。发明专利(01130064)涉及的装置主要由高压脉冲电发生装置、参数测量、显示及调控装置、屏蔽及自动保护装置、高压脉冲电场处理室组成。将待灭菌物质通过高压脉冲电磁场时，微生物在极短时间内受强电磁场力作用，其细胞结构由于细胞膜之间的电位差而被破坏，导致细胞膜不可逆穿孔极化。发明专利(200310119299)公开了一种脉冲电场用于烟草杀虫灭菌的方法。该方法通过脉冲幅度为10~15kv/cm的低频冲击脉冲作用放置在电极之间的烟叶，一定时间后即可杀灭虫菌。单向正脉冲或单向负脉冲，或双向脉冲均可。但该发明没有说明如何让电极与烟叶保持均匀接触的方法，而这一点在生产工艺中至关重要。发明专利(200410011305)涉及一种用于食、饮品高压脉冲电场处理的装置，由分别与可控高压脉冲电源两极相联接的两个电极组成，是两个径向尺寸不同、而截面形状相同的空心管，呈同轴状套装一起，端口通过绝缘体隔离环将两个空心管电极隔离开，并固定封闭，在该两个空心管电极间形成的环状间隙即为承载处理物料的容腔，在外层极板上设有与该容腔相通的物料进、出口。发明专利(200410077405)公开了一种预极化脉冲电场灭菌方法，即在高压脉冲电场灭菌之前，先将物料在静电场中进行预极化处理，所述静电场场强为100~lOOOv/cm ;预极化脉冲电场灭菌设备包括贮料罐、泵、真空脱气装置、高压脉冲电发生器、电脉冲处理室和与直流电源连接的电极。发明专利(200510041039)公开了一种采用高压脉冲电场杀菌技术的无糖茶饮料生产方法，先将茶叶于热水中浸提，茶汤经筛网过滤后迅速冷却，离心去沉淀；茶汤经微滤膜进一步过滤后，再经高压脉冲电场灭菌。处理后的茶饮料中茶多酚含量、风味物质含量及色差均无明显变化，将其低温储藏9个月后，安全性和感观品质仍良好。发明专利(200710008847)涉及一种非热力果蔬浓缩汁杀菌抑酶加工方法，即利用高压脉冲电场杀菌技术，同时结合冷冻浓缩工艺来制取果蔬浓缩汁，在实现杀菌抑酶的同时，解决因热力方法所导致的果汁品质下降问题。发明专利(20071044498)涉及一种液体食品用高压脉冲电场杀菌处理装置。
[0006]美国从1987年到2002年间批准了 200多个有关PEF处理食品的专利。比如Dunn和Pearlman (1987)的专利(延长液态食品货架期的装置和方法)，Morshuis (2002)的专利(利用脉冲电场保藏食物的方法和仪器)，Robbins (2001)的专利(使用低电压脉冲电能来降低在电导性介质中的微生物数量的过程和仪器)和Lelieveld和Volanschi (2001)的专利(食品保藏的方法和仪器)等。

【发明内容】

[0007]本发明的目的在于提供应用高压脉冲感应电流加工食品的设备，解决了现有加热灭菌方法会破坏食品营养和风味，且现有高压脉冲电场制作食品的方法需要电极接触食品且适用范围小的问题。
[0008]本发明的另一个目的是提供应用高压脉冲感应电流加工食品的方法。
[0009]本发明所采用的技术方案是包括直流高压脉冲电流发生器，直流高压脉冲电流发生器连接感应线圈，直流高压脉冲电流发生器产生直流高压脉冲电流作用于感应线圈上，使感应线圈内产生脉冲形式的磁感应通量变化，感应线圈靠近导磁线圈或缠绕在与导磁线圈形成磁回路的导磁部件上，，使感应线圈产生的脉冲形式的磁感应通量变化作用在导磁线圈上，在导磁线圈内部或附近形成磁感应通量变化。导磁线圈是采用丝状或条状导磁材料形成螺旋体；所述导磁线圈的形状为圆柱、椭圆柱、圆锥、棱柱、圆台其中任一形状。导磁材料采用铁、镍、钴、猛、锌、娃钢、坡莫合金、5Mo79N1、四氧化三铁、铁氧体、RCo5、R2Co17、钕铁硼永磁材料其中任一。将所述导磁线圈放置在抗磁性物质之中，以避免导磁丝之间的漏磁；或将所述导磁线圈放入氦气或氢气中密封起来，以减小漏磁。导磁线圈的线圈间隙中充填抗磁性材质的粉末。
[0010]导磁线圈制作方法为采用冷轧硅钢片DT或高磁感取向硅钢片Q和QG的材质，剪裁成丝状，然后沿圆柱，圆台或棱柱等形状的柱体缠绕成为导磁线圈，然后将导磁线圈连接感应线圈，感应线圈连接直流高压脉冲电流发生器；或者所述导磁线圈制作方法为通过冷加工方式，采用氧化物或陶瓷粉作为导磁材料与坡莫合金混合均匀之后，经球磨、干燥，压制，在1000°c的温度下进行预烧后，再一次充分研磨和混合，并加入适量粘合剂，压制成螺旋形状，然后在1200?1400°C温度下烧结而成，然后将导磁线圈连接感应线圈，感应线圈连接直流高压脉冲电流发生器。应用上述设备加工食品的方法，按照以下步骤进行:步骤1，直流高压脉冲电流发生器中产生所要求强度的直流高压；步骤2，利用直流高压脉冲电流发生器中的电容来贮存电能；步骤3，通过脉冲成形网络以特有的波形和波宽释放高压脉冲；步骤4，高压脉冲使感应线圈组产生脉冲形式的磁感应通量变化；步骤5，磁感应通量的变化经过高导磁率的导磁线圈引导，使放置在导磁线圈内部或附近的物质或食物内部感生出沿导磁线圈轴向的直线型单向高压脉冲电流。
[0011]本发明提供的另一种应用高压脉冲感应电流加工食品的设备，包括直流高压脉冲电流发生器，直流高压脉冲电流发生器连接感应线圈，直流高压脉冲电流发生器产生直流高压脉冲电流作用于感应线圈上，使感应线圈内产生脉冲形式的磁感应通量变化，感应线圈磁感应通量变化区域内放置有聚磁元件组。聚磁元件组采用具有高导磁率的材料制作；聚磁元件组的形状为薄片状、颗粒状、丝状、薄片叠加状其中任一形状。高导磁率的材料采用软磁材料或永磁材料或螺旋磁材料。应用此设备加工食物的方法，按照以下步骤进行:步骤1，直流高压脉冲电流发生器中产生所要求强度的直流高压；步骤2，利用一个或成组的电容来贮存电能；步骤3，通过脉冲成形网络以特有的波形和波宽释放脉冲电流，脉冲电流使感应线圈组产生脉冲形式的磁感应通量变化，磁感应通量的变化通过聚磁元件的聚集作用，在感应线圈组附近的空间激发产生脉冲形式的高强度感应电场，放置于感应电场中待处理的物质或食物，其内部会感生螺旋形的单向脉冲电流。
[0012]本发明的有益效果是以非接触方式使待处理食物表面和内部的微生物细胞膜被脉冲电流永久性击穿消除。从而克服了现有加热灭菌方法会破坏食品营养和风味的弊病，避免了现有高压脉冲电场方法需要电极接触食品带来的各种问题，并将其适用范围从液态食品扩大到固态或颗粒状食品。
【专利附图】

【附图说明】
[0013]图1直线型单向电脉冲的感生方法示意图；
[0014]图2不同导磁线圈的形状示意图；
[0015]图3食物或盛放食物容器与导磁线圈的相互位置示意图；
[0016]图4螺旋型单向电脉冲的感生方法示意图；
[0017]图5不同形状聚磁元件组合所形成的间隙以及与食物的位置关系示意图；
[0018]图6聚磁元件处于食品或盛放食品容器中间的不同设计方案；
[0019]图7食品包围在聚磁元件周围的位置示意图；
[0020]图8多个聚磁元件组合和相应的磁力线分布情况；
[0021]图9水果表面灭菌消毒处理生产线的示意图；
[0022]图10灭菌保鲜箱的结构示意图；
[0023]图11单指数衰减型高压脉冲感应电流的电路示意图；
[0024]图12双极指数衰减型高压脉冲感应电流的电路示意图。
[0025]图中，1.直流高压脉冲电流发生器,2.感应线圈，3.导磁线圈，4.导电物体，5.聚磁元件组，6.传输带，7.水果，8.直流高压电源，9.高压脉冲直流电发生部件，10.充放电开关，11.充电电阻，12.电容器，13.传输线电阻，14.开关电阻，15.感应线圈电阻，16.高磁导率部件。
【具体实施方式】
[0026]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明进行详细说明。
[0027]本发明设计核心是以非接触方式在待处理物体内产生直线型和/或螺旋型单向高压脉冲感应电流，使待处理物表面和内部的微生物细胞膜被脉冲电流永久性击穿而被消除。
[0028]本发明涉及采用特制的导磁线圈3产生沿线圈轴向的直线型单向高压脉冲感应电的技术，以及采用特别设计的聚磁元件组5，产生高密度螺旋形单向高压脉冲感应电的技术。根据该技术设计的PIEF发生器，可使放置于感应磁场或感应电场中待处理的导电物质或食物内部，产生脉冲形式的高强度单向感应电流。在不直接接触食物，不需要正负电极，不用加热和基本不破坏食品营养和风味的条件下，即可杀灭待加工物质或食品表面或内部存在的微生物，并能部分分解有毒物质。
[0029]一般来说高压脉冲电场的建立需要满足几个条件:(1)高电场强度(大多数微生物灭活的最低临界强度范围是4-14kv/cm)。(2)加于细胞膜表面的必须是高密度的直流电场，如果是以一定频率变化的交流电场，并不能使细胞膜穿孔。(3)施加的电场具有脉冲特性。(4)需一定的处理时间。(5)直流电场的建立需要在被处理物表面设置一正一负至少两个电极。
[0030]如前所述，电极的使用会带来一系列问题。本发明满足前面4个条件而取消电极条件，使该技术相比于现有的高压脉冲技术具有更大的优越性和实用性。本发明提出的技术采用了特别的感应电场方式，即脉冲感应电场技术(Pulsed Induction ElectricField)，简称PIEF。PIEF技术可以在导电物质内部产生两类单向(非交流)电脉冲。一类是直线型的电脉冲，即电流在物质内部从一端向另一端瞬间以直线形式流过。现有的高强度脉冲电场(PEF)食品加工技术都是通过电极在流体内产生这类单向直线型电脉冲来进行灭菌的。另一类则是螺旋形的单向(非交流)电脉冲，即在待处理食品的内部产生的是螺旋状(或涡旋状)的电流。它与通常电磁炉采用的感应涡流不同有两点:一是单向的涡旋电流，二是具有脉冲性。
[0031]直线型和螺旋形的电脉冲处理效果不同，产生的方法，采用的装置和适用的食物也有区别。分别如下:
[0032]一.直线型单向电脉冲的感生方法和设备。
[0033](一)感生方法:如图1所示，包括直流高压脉冲电流发生器1，直流高压脉冲电流发生器I连接感应线圈2，直流高压脉冲电流发生器I产生直流高压脉冲电流作用于感应线圈2上，使感应线圈2内产生脉冲形式的磁感应通量变化，感应线圈2靠近导磁线圈3或缠绕在与导磁线圈3形成磁回路的导磁部件上，使感应线圈2产生的脉冲形式的磁感应通量变化作用在导磁线圈3上，最终作用在物体上。其中直流高压脉冲电流发生器I负责提供具有所需波形，持续时间和电场强度的直流高压脉冲。它利用一个或成组的电容器来贮存电能，通过脉冲成形网络以特有的波形和波宽释放高压脉冲。输出的高压脉冲使感应线圈2产生脉冲形式的磁感应通量变化；磁感应通量的变化在高导磁率的导磁线圈3内形成时，放置在导磁线圈3内部(或附近)的导电物体4的内部，会感生出沿导磁线圈3轴向的直线状脉冲电流。由于大部分食物均含有水，所以不仅液态，大多数固态食物也能导电。都可作为导电物体4。所以可以用上述PIEF技术进行灭菌处理。
[0034](二)关键部件:具有高导磁率的导磁线圈3是关键部件，具有以下特点:1.形状:导磁线圈3具有类似于普通金属丝制成的螺旋通电线圈的形状。为避免磁路紊乱和尽可能减小漏磁，可以但不局限于采用丝状导磁材料形成单层螺旋体。导磁丝之间互不接触，应留有足够空隙，如图2所示。图中为导磁线圈3，导磁线圈3内是导电物体4即待处理食物或盛放食物的容器。为了适应待处理食物或盛放容器的不同形状和加强感生电流的密度，导磁线圈3的形状如图2所示可以为圆柱a)、圆锥b)、棱柱C)、异形柱体d)等等。导磁线圈3尺寸:因为材质和制作工艺原因，导磁丝比导电金属丝粗，其直径不小于0.5mm。但导磁线圈3的线圈直径和匝数不受限制。导磁线圈3材料和加工工艺:可采用任何具有高导磁率的材料制作导磁丝。包括铁，镍，钴，锰，锌等金属及其它们的合金，如硅钢，坡莫合金，导磁合金(5Mo79Ni);铁及其合金的氧化物，如四氧化三铁和铁氧体以及稀土钴(RCo5, R2Co17)和欽铁砸永磁材料等等。
[0035]导磁材料分为永磁，软磁和螺旋磁三大类。本发明中，主要采用软磁材料制作导磁线圈3，但也不排除使用永磁材料或螺旋磁材料。所谓软磁材料特指那些矫顽力小、容易磁化和退磁的磁性材料。因为容易磁化和退磁,且具有很高的导磁率,可以起到很好的聚集磁力线的作用，已被广泛用作磁力线的通路，在变压器、传感器铁芯，磁屏蔽罩，特殊磁路轭铁等方面得到应用。硅钢片是常见的软磁材料，其含硅量在3%左右，大量用于中低频变压器和电机铁芯，尤其是工频变压器中。硅钢的特点是具有常用软磁材料中最高的饱和磁感应强度(2.0T以上)，因此作为变压器铁芯使用时可以在很高的工作点工作(如工作磁感值
1.5T)。但是，硅钢在常用的软磁材料中铁损也是最大的，为了防止铁芯因损耗太大而发热，它的使用频率不高，一般只能工作在20KHz以下。硅钢通常是薄片状的，这是为了在制造变压器铁芯时减小铁芯的涡流损失。目前硅钢片主要分热轧和冷轧两大类。所谓热轧硅钢，是把硅钢板坯在850度以上加热后轧制，然后再进行退火。由于轧制温度高，所轧制出来的硅钢片都是各向同性的，也就是说硅钢片的磁性在各个方向上相同。这种各向同性的硅钢也叫做无取向硅钢。无取向硅钢大量应用在电机中的定子或者转子。因为要制造电机定子和转子，就要在大的硅钢片上冲压出圆形的零件。这时总是希望硅钢片沿圆周方向磁性一致，所以要用无取向硅钢。为了获得更好的磁性能，现已采用冷轧硅钢片，即在较低温度下轧制，再退火。冷轧取向硅钢片是其中的代表。冷轧取向硅钢片首先对板坯进行冷轧，使得材料内部产生很多结构缺陷。在随后的退火过程中，材料发生结构上的变化(称为再结晶)，这种变化会使硅钢片在某个方向上磁性能非常好，也就是说磁性能和方向有关，被称为取向硅钢。在最终使用时，让铁芯中的磁力线沿磁性能最好的方向通过，这样便可以最大限度地发挥硅钢片的磁性能潜力。例如，在变压器中，铁芯材料的磁力线是沿一个方向通过的，如果把硅钢片适当裁剪，然后卷绕成铁芯，使得铁芯周长方向恰好是硅钢片磁性能最好的方向，那么铁芯的导磁率就会很高，容易磁化，能量损耗小，最终提高了变压器效率。我国对硅钢片的编号是:热轧硅钢片D (如D31指含硅3.1 %的热轧硅钢);冷轧硅钢片DT ;高磁感取向硅钢片Q和QG。这些材料的磁性能可以从相关的书籍和手册中得到。
[0036]坡莫合金是另一类软磁材料:坡莫合金即铁镍合金，其含镍量的范围很广，在35% — 90%之间。坡莫合金的最大特点是具有很高的弱磁场导磁率。它们的饱和磁感应强度一般在0.6-1.0T之间。最简单的坡莫合金是铁，镍两种元素组成的合金，通过适当的轧制和热处理，它们能够具备高导磁率，同时也可以合理搭配铁和镍的含量，获得比较高的饱和磁感应强度。但是，这种坡莫合金的电阻率低，力学性能不好，所以实际应用并不很多。目前大量应用的坡莫合金是在铁镍的基础上添加一些其它元素，例如钥、铜等。添加这些元素的目的是增加材料的电阻率，以减小做成铁芯后的涡流损失。
[0037]本发明中，导磁线圈3可采用冷轧硅钢片DT或高磁感取向硅钢片Q和QG的材质，剪裁成丝状，然后沿圆柱，圆台或棱柱等形状的柱体缠绕成为导磁线圈。让线圈中的磁力线沿磁性能最好的方向通过。也可通过冷加工方式，将坡莫合金加工成螺旋状。如采用氧化物或陶瓷粉作为导磁材料，加工工艺是混合均匀之后，经球磨、干燥，压成特定的形状。在大约1000°C的温度下进行预烧后，再一次充分研磨和混合。加入适量的粘合剂，压成所要求的螺旋形状，然后在1200?1400°C温度下烧结而成。
[0038](三)食物或盛放食物容器的形状以及与导磁线圈的相互位置。
[0039]待处理食物或盛放食物的容器的形状以及与导磁线圈3的相互位置决定了感生电流在物体或物质内部产生的部位和电流密度。如图3中的a)、b)、c)、d)所示，有各种可能的选择。图中有导磁线圈3。和导电物体4，导电物体4即为待处理食物或盛放食物的容器。
[0040]1.食物或盛放食物的容器处于导磁线圈3内部，图3中的a):这种情况下，感生电流出现在食物内沿线圈的轴向方向，且越靠近线圈的部位，感生电流密度越大，反之，越接近线圈轴线中心的部位，电流密度越小。所以可以将食物或盛放食物的容器制成中空管状，如图3中的b)，使食物内部受到的脉冲感生电流密度呈现均匀分布。一个典型的应用实例，就是让液态食品(如果汁，牛奶)流过中空管道，来自导磁线圈3的磁通量变化，在食品中感生高密度的脉冲电流，将食物中的微生物杀灭。
[0041]2.食物或盛放食物的容器做为导电物体4处于导磁线圈3的一端，如图3中的c):这种情况下，靠近导磁线圈3 —侧的食物表面附近区域将出现垂直于表面的感生脉冲电流，离线圈越近的部位，电流密度越大，远离表面的部位，电流密度一般很小。所以可以将食物或盛放食物的容器制成扁平状，使食物内部受到的脉冲感生电流密度呈现均匀分布。如果只要求对食物的表面进行处理，让导磁线圈直接接触其表面即可。一个典型的应用实例就是对食品包装纸的消毒灭菌处理。
[0042]3.导磁线圈放置于食物的内部，如图3中的d):这种情况下，食物内部接近线圈的部位能够感生与线圈轴向平行的感生脉冲电流。处于线圈附近的食物中，感生电流密度最大，远离线圈的部位，电流密度较小。一个典型的应用实例是:将导磁线圈3放入液态食品或半流动颗粒物中消毒灭菌。
[0043](四)优化措施。
[0044]1.导磁线圈3和导电线圈的最大不同是磁力线不容易隔绝(而电流容易绝缘)，会有漏磁问题。本发明采用下列措施来减小导磁线圈的漏磁:
[0045]I)可将导磁线圈3放置在抗磁性物质之中，以避免导磁丝之间的漏磁。惰性气体和氢气比空气的抗磁性好很多，所以将导磁线圈3放入氦气中密封起来，能够有效减小漏磁。
[0046]2)在每圈导磁丝的间隙中充填抗磁性材质的粉末，如铋粉，铜粉或锑份。
[0047]3)保证导磁线圈3间隙的均匀性。
[0048]4)尽量保持导磁线圈3的曲率均匀性，避免有突然的转角或弯折形状。
[0049]2.通过在食物内部加入导电体或导电物质的方式，来减小食物内部的电阻，从而提高感生电流强度。一个实例是:在导电性较差的待处理食品中，添加导电良好的物质，如水，盐或调料。
[0050]3.为了防止导磁线圈3本身所带微生物或有害物质对食品的污染，采取下列措施:
[0051]I)对导磁线圈3预先进行消毒灭菌处理。
[0052]2)在导磁线圈3外表面包裹已消毒灭菌的材料。
[0053]3)将导磁线圈3装入合适的容器中。
[0054]二.螺旋形单向电脉冲的感生方法和重要部件设计。
[0055](一)感生方法:如图4所示，包括直流高压脉冲电流发生器1，直流高压脉冲电流发生器I连接感应线圈2，直流高压脉冲电流发生器I产生直流高压脉冲电流作用于感应线圈2上，使感应线圈2内产生脉冲形式的磁感应通量变化，感应线圈2磁感应通量变化区域内放置有聚磁原件组5。其中，直流高压脉冲电流发生器I负责提供具有合适波形，持续时间和强度的高压脉冲。其过程包括:(1)电源产生所要求强度的直流高压；(2)利用一个或成组的电容来贮存电能；(3)通过脉冲成形网络以特有的波形和波宽释放脉冲电流。脉冲电流使感应线圈2产生脉冲形式的磁感应通量变化。磁感应通量的变化通过磁力线聚集元件组，即聚磁元件组成的聚磁元件组5的聚集作用，在感应线圈2附近的空间激发产生脉冲形式的高强度感应电场。放置于感应电场中待处理的导电物体4的内部会感生螺旋形的脉冲电流。由于大部分食物含有水，所以不仅液态，大多数固态食物也能导电。所以可以用上述PIEF技术进行灭菌处理。
[0056](二)部件设计
[0057]在这类螺旋型单向脉冲电流的感生方式中，合理设计聚磁元件的材质，放置位置，尺寸和形状，是获得高密度感生电流的关键。
[0058]1.材质:聚磁元件组5中的聚磁元件可采用软磁材料制作，但也不排除使用永磁材料或螺旋磁材料，甚至纯铁或一般的铁基或镍基合金。总之是要选择既能增强感应线圈组磁感应通量(磁通量)，本身又不会产生很强涡流效应的物质或材料。选择原则是:磁导率高和电阻率大。纯铁磁导率高(10000)，但电阻率低(IOmΩ.Cm)，在感应线圈产生的交变磁场中，能产生很强的涡流，所以电磁炉用铁锅很合适。铝为顺磁质物质，磁化率很小，相对磁导率稍大于I。铜为反磁质物质，相对磁导率小于I。均不能增强感应线圈的磁感应通量，即使能增强，本身也会产生很强涡流效应。锰-锌(Mn-Zn)铁氧体的最大磁导率μΜΧ达2500，电阻率达2Χ106(πιΩ.cm)，所以是理想的选择。作为变压器材质的硅钢(4.00%Si)，虽然磁导率μ rmax达7000，但电阻率只有45-70 (m Ω.cm),所以需要制成薄片后，形成叠层结构，层与层之间绝缘，使涡流效应因局限于单片薄层内而变得很小。
[0059]2.形态:聚磁元件可以是块状，片状或条状固体，颗粒状粉末，也可以是铁磁材料粉末与液体混合形成的悬浮体。为了减小聚磁元件本身在导磁过程中产生的涡流效应，减少产热，聚磁元件最好呈薄片状，颗粒状，丝状或薄片叠加状，尽量避免呈块状。
[0060]3.形状:如果将食品放置于两个或更多聚磁元件组合形成的聚磁元件组5的磁路间隙之间来进行处理，为了获得磁路间隙中的高密度磁力线，聚磁元件组5的形状应根据待处理食品来进行特别设计。图5显示了几种适合于不同形状食品或盛放容器的设计方案。图中为聚磁元件组5和导电物体4。图5中，a)适合于扁平的矩形食品或容器。b)适合于小尺寸的球形食品或容器。c)适合于条状的食品或容器。d)适合于圆锥状的食品或容器。e)适合于上窄下宽的块状食品或容器。
[0061]4.位置:聚磁元件组5与待加工食品的相互位置关系可分为几大类:[0062]I)食品处于聚磁元件组合形成的磁路间隙之间。这样可使聚磁元件组合形成的高密度磁力线穿过食品，在其内部产生足够强而密集的感生脉冲电流，如图5所示。
[0063]2)聚磁元件处于食品内部或中间。这样可使外部磁力线受聚磁元件的聚磁作用而穿过食品，并且越靠近聚磁元件，磁力线密度越高，感生脉冲电流就越强。但为了防止食品被元件污染，可通过改变食品盛放容器的形状和尺寸，使得元件不直接接触食品，如图6所示。图中包括感应线圈2,导电物体4为盛放食品的容器,里面装有食物,聚磁元件组5,图6中，a)，b)，c)和d)显示了几种不同的盛放食品容器的设计方案以及聚磁元件组5与食品的位置关系。其中c)中是直接将聚磁元件放入食品内部。
[0064]3)食品包围聚磁元件。聚磁元件内部密集的磁力线将在外围食品内产生密集的感生脉冲电流。越靠近聚磁元件的部位，电流密度越高。所以包围聚磁元件的食物或容器多呈现环绕聚磁元件的管状，如图7所示。图中包括聚磁元件组5,导电物体4为食品或盛放食品的容器。图7中a)适合于圆柱管状食品或容器。b)适合于棱柱状食品或容器。c)采用多根聚磁元件，适合于大面积盘状食品的处理。
[0065]4 )综合模式。综合上述各种位置关系，采用多个聚磁元件，达到提高食品内部磁力线密度，增强脉冲感应电流灭菌效率的目的，如图8所示。图中包括形成放置食物或容器的间隙的聚磁元件组5，导电物体4是待处理食品或其盛放容器，图8中，a), b)，c)和d)显示了不同的聚磁元件组合和相应的磁力线分布情况。d)所示设计采用了两对聚磁元件和一个单独的聚磁元件形成的聚磁元件组5，形成复杂的磁力线分布，对处于中心的食物进行全方位的灭菌处理。
[0066](三)优化措施
[0067]1.在待处理食品内部添加导电率闻的物质，能够提闻感应电流的强度，从而提闻杀灭微生物以及分解有毒物质的效率。
[0068]2.为了防止聚磁元件组5表面所带微生物或有害物质对食品的污染，采取下列措施:
[0069]I)对聚磁元件预先进行消毒灭菌处理。
[0070]2)在聚磁元件外表面包裹已消毒灭菌的材料。
[0071]3)将聚磁元件装入合适的容器中。
[0072]三.PIEF技术在食品处理方面的应用。
[0073](一)食品加工:
[0074]PIEF技术已经大规模应用于液态或部分半流动态食品加工生产线上的微生物灭活。但目前为止，尚不能用于固态，半固态和粉状食物的加工处理。本发明提出的PIEF技术能够用于所有形态食品加工生产线的微生物灭活。图9为一条水果表面处理生产线的示意图。放置于传输带6上的水果7以一定速度穿过聚磁元件组5形成的间隙，传输带上设置的聚磁元件组5具有凹槽，可以盛放水果7，同时具有聚集磁力线的作用，使得密集磁力线将穿过水果7，使水果7表面的微生物由于高强度的感应电流导致细胞膜穿孔而灭活。同时水果7表面附着的残留农药(如有机磷)也会被部分分解，达到一举两得的目的。
[0075](二)食品灭菌保鲜
[0076]本发明提出的PIEF技术还可用于食品的保鲜和即时灭菌处理。由于不需加热，所以用于生冷即食食物(如日本寿司，生蚝海鲜)的消毒灭菌很合适。据此技术设计的灭菌保鲜箱可以替代常规冰箱或冷冻箱，其优势明显:灭菌不分种类(冰箱不能抑制李斯特菌等不惧冷的微生物)，能消除因为冰箱中微生物没有灭活造成的食品亚硝酸盐增加，能深入食品内部彻底灭菌，省电节能，噪音小，不用氟利昂，不需保温材料，成本低等。但不能提供冷饮和冻冰，不适于保存常温下易融化食物。图10显示的是这种灭菌保鲜箱的结构示意图。图中包括直流高压电源8，可以产生不低于数千伏特的直流高压，高压脉冲直流电发生部件9，直流高压电源8和高压脉冲直流电发生部件9组成直流高压脉冲电流发生器1，感应线圈2，聚磁元件组5，包括有待处理食物和容器的导电物体4。容器一般用铝，高分子或陶瓷等顺磁材质制成。如果容器是很浅的盘，而食物装得很满，可用铁质材料，这时容器本身就成为额外的聚磁元件。
[0077]四.PIEF技术的实验:
[0078]根据PIEF技术设计的实验显示了良好的结果。采用图11所示电路图，图11为能产生螺旋型单向高压脉冲感应电流的电路，图中包括直流高压电源8，可以产生不低于数千伏特的直流高压，充电电阻11，电容器12是用于充放电，传输线电阻13，开关电阻14，感应线圈电阻15，感应线圈2，感应线圈产生的单向磁力线，聚磁元件组5，导电物体4，充放电开关10，又称为电闸。电闸以高压脉冲方式通过脉冲成形网络释放电能，它必须能够控制存在于电容器12中的高电压和作用于成形网络中的高电流。市场上有两类高功率电闸，即ON电闸和0N/0FF电闸。后者具有随意开关的功能。采用220V交流电源，通过变压后得到25K的高压，再转换为直流，充放电电容可承受30K高压。感应线圈2采用螺旋盘状线圈形式，线圈用线为多股漆包铜线胶合而成，需要耐30K以上高压而不被击穿。聚磁元件组5和感应线圈2可以自制，也可用家用电磁炉中拆下的部件改制。在感应线圈2上方放置牛奶盒。在牛奶盒中放置已消毒灭菌的块状聚磁元件组5，材质为铁氧体。实验用牛奶为巴氏消毒奶，常温下(20°C)保质期不超过3天。作为对照，在感应线圈2外一定距离放置同样的牛奶盒。当电容器12充电满负荷后，即开始瞬间放电，产生近似单指数衰减性的脉冲电流，使感应线圈2中产生相应的磁脉冲，被聚磁元件组5有效聚集的磁力线穿过牛奶盒，使牛奶中产生螺旋型单向脉冲感应电流，该脉冲电流使得牛奶中的微生物细胞膜出现不可逆穿孔而死亡。电容放完电后将自动重新充电，然后再放电，充放电之间的时间间隔约1.5秒。实验表明，接受处理15分钟的牛奶比没有处理的牛奶在同样室温条件下的保质期能够延长2.5倍以上。实验进一步显示，聚磁元件的材质，尺寸，形状和放置位置，均能在一定程度上影响保质期的长短。
[0079]图12是可产生双极指数衰减型高压脉冲感应电流的电路示意图。能产生直线型单向高压脉冲感应电流，包括直流高压电源8 ;充电电阻11 ;用于充放电的电容器12 ;传输线电阻13 ;开关电阻14 ;充放电开关10 ;感应线圈电阻15 ;感应线圈2 ;与导磁线圈3形成磁场回路的高磁导率部件16 ;导电物体4是在放置在导磁线圈内部的食物或盛放食物的容器。
【权利要求】
1.应用高压脉冲感应电流加工食品的设备，其特征在于:包括直流高压脉冲电流发生器(I )，直流高压脉冲电流发生器(I)连接感应线圈(2)，直流高压脉冲电流发生器(I)产生直流高压脉冲电流作用于感应线圈(2)上，使感应线圈(2)内产生脉冲形式的磁感应通量变化，让感应线圈(2)靠近导磁线圈(3)或缠绕在与导磁线圈(3)形成磁回路的导磁部件上，使产生的脉冲形式的磁感应通量变化作用在高导磁率的导磁线圈(3)上，在导磁线圈(3)内部或附近形成磁感应通量变化。
2.按照权利要求1所述应用高压脉冲感应电流加工食品的设备，其特征在于:所述导磁线圈(3)是采用丝状或条状导磁材料形成螺旋体；所述导磁线圈(3)的形状为圆柱、椭圆柱、圆锥、棱柱、圆台其中任一形状。
3.按照权利要求2所述应用高压脉冲感应电流加工食品的设备，其特征在于:所述导磁材料采用铁、镍、钴、锰、锌、硅钢、坡莫合金、5Mo79N1、四氧化三铁、铁氧体、RCo5、R2Co17、钕铁硼永磁材料其中任一。
4.按照权利要求1所述应用高压脉冲感应电流加工食品的设备，其特征在于:将所述导磁线圈(3)放置在抗磁性物质之中，以避免导磁丝之间的漏磁；或将所述导磁线圈(3)放入氦气或氢气中密封起来，以减小漏磁。
5.按照权利要求1所述应用高压脉冲感应电流加工食品的设备，其特征在于:所述导磁线圈(3)的线圈间隙 中充填抗磁性材质的粉末。
6.制作权利要求1所述设备的方法，其特征在于:所述导磁线圈(3)制作方法为采用冷轧硅钢片DT或高磁感取向硅钢片Q和QG的材质，剪裁成丝状，然后沿圆柱，圆台或棱柱等形状的柱体缠绕成为导磁线圈(3)，让感应线圈(2)靠近导磁线圈(3)或缠绕在与导磁线圈(3)形成磁回路的导磁部件上，感应线圈(2)连接直流高压脉冲电流发生器(I);或者所述导磁线圈(3)制作方法为通过冷加工方式，采用氧化物或陶瓷粉作为导磁材料与坡莫合金混合均匀之后，经球磨、干燥，压制，在1000°C的温度下进行预烧后，再一次充分研磨和混合，并加入适量粘合剂，压制成螺旋形状，然后在1200~140(TC温度下烧结而成，让感应线圈(2)靠近导磁线圈(3)或缠绕在与导磁线圈(3)形成磁回路的导磁部件上，感应线圈(2)连接直流高压脉冲电流发生器(I)。
7.应用权利要求1所述设备加工食品的方法，其特征在于按照以下步骤进行:步骤1，直流高压脉冲电流发生器(I)中产生所要求强度的直流高压；步骤2，利用直流高压脉冲电流发生器(I)中的电容来贮存电能；步骤3，通过脉冲成形网络以特有的波形和波宽释放高压脉冲；步骤4，高压脉冲使感应线圈组产生脉冲形式的磁感应通量变化；步骤5，感应线圈(2)磁感应通量的变化经过高导磁率的导磁线圈引导，使放置在导磁线圈内部或附近的物质或食物内部感生出沿导磁线圈轴向的直线型单向高压脉冲电流。
8.应用高压脉冲感应电流加工食品的设备，其特征在于:包括直流高压脉冲电流发生器(I)，直流高压脉冲电流发生器(I)连接感应线圈(2 )，直流高压脉冲电流发生器(I)产生直流高压脉冲电流作用于感应线圈(2)上，使感应线圈(2)内产生脉冲形式的磁感应通量变化，感应线圈(2)磁感应通量变化区域内放置有聚磁元件组(5)。
9.按照权利要求8所述应用高压脉冲感应电流加工食品的设备，其特征在于:所述聚磁元件组(5)采用具有高导磁率的材料制作；聚磁元件组(5)的形状为薄片状、颗粒状、丝状、薄片叠加状其中任一形状。
10.按照权利要求9所述应用高压脉冲感应电流加工食品的设备，其特征在于:所述高导磁率的材料采用软磁材料或永磁材料或螺旋磁材料。
11.应用权利要求8所述设备加工食物的方法，其特征在于按照以下步骤进行:步骤I，直流高压脉冲电流发生器(I)中产生所要求强度的直流高压；步骤2，利用一个或成组的电容来贮存电能；步骤3，通过脉冲成形网络以特有的波形和波宽释放脉冲电流，脉冲电流使感应线圈组产生脉冲形式的磁感应通量变化，磁感应通量的变化通过聚磁元件的聚集作用，在感应线圈组附近的空间激发产生脉冲形式的高强度感应电场，放置于感应电场中待处理的物质或食物， 其内部会感生螺旋形的单向脉冲电流。
【文档编号】A23L3/32GK103859550SQ201410104065
【公开日】2014年6月18日 申请日期:2014年3月19日 优先权日:2014年3月19日
【发明者】何宗彦 申请人:北京银河之舟环保科技有限公司