一种基于冰晶体调控的低频超声辅助液化CO2速冻装置及方法与流程

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
技术领域
1.本发明涉及食品加工技术领域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。


背景技术：

2.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。
3.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。
4.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。
5.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-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%。
6.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。
7.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。


技术实现要素：

8.为有效控制冷冻食品内冰晶体尺寸提升冻结品质，本发明提供一种液化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。
9.为了实现上述技术目的，本发明采用如下技术手段：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。
10.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。
11.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。
12.还包括co2回收装置，用于冷冻室内co2回收。
13.一种物料速冻方法，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-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-5℃时，关闭超声换能器；-5 ~
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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-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-1~-5℃时间低于2 min，冷冻至-18℃时间小于10 min；s3、打开样品自动升降台，将物料提升至冷冻室出口处，并脱离液化co2液面，冷冻室内分隔板关闭，将下部液化co2进行单独密封，然后打开冷冻室出口盖门，将冷冻后物料取出包装后迅速转移至-18℃冷冻室，然后将下一批物料置于样品自动升降台上，关闭冷冻室出口盖门，打开腔内分隔板，降下样品自动升降台并将物料浸没于液化co2中，开始新一轮物料冻结。
14.步骤s1中所述物料为果蔬物料；所述预处理及预冷方法：挑选和清洗、切分、灭酶、水冷、沥干，灭酶在 95℃的水中进行漂烫灭酶处理，时间在1~5 min；将灭酶、沥干水分后的果蔬物料风冷至-4℃。
15.步骤s2中所述co2液化方法：s21、打开抽真空设备将冷冻室内的空气抽出，当压力表检测到冷冻室内压力为真空状态时，关闭抽真空设备；s22、打开co2气体供应装置上的进气阀至冷冻室内压力为3~5 mpa，关闭co2进气阀；s23、开启制冷对冷冻室内进行降温并同时打开加压泵对腔内co2进行加压至8~10 mpa，腔内温度下降到-40℃以下停止加压，以上过程在2~3 min内完成，液化co2体积不低于整个冷冻室内的五分之四体积，整个冷冻过程在10min内完成。
16.有益效果：第一．本发明提供了一种基于冰晶体调控的低频超声辅助液化co2速冻装置及速冻方法。该装置及方法能够将co2气体液化并降温至-40℃以下，以液化后的co2为冷冻介质实现对物料的急速冻结。液化co2冷冻时物料中心温度穿过最大冰晶生成带（-1~-5℃）时间低于2 min，冷冻至-18℃时间低于10 min。
17.第二．本发明一种基于冰晶体调控的低频超声辅助液化co2速冻装置，该装置超声换能器为特制弧面设计使得装置内圆形冷冻室能够搭载28 khz低频超声波，冷冻室的底面弧形设计使得腔体在能够承受10 mpa压力的同时钢板厚度降低到5 mm，从而使得超声波能够穿透到加压腔体内部发挥作用，实现低频超声辅助液化co2对食品物料的速冻。
18.第三．本发明一种基于冰晶体调控的低频超声辅助液化co2速冻装置，能够有效实
现co2的液化，冷冻室内设有样品自动升降台以及分隔板，物料提升至冷冻室出口处，并脱离液化co2液面，冷冻室内分隔板关闭，将下部液化co2进行单独密封，然后打开冷冻室出口盖门，将冷冻后物料取出包装后迅速转移至-18℃冷冻室，然后将下一批物料置于样品自动升降台上，关闭冷冻室出口盖门，打开腔内分隔板，降下样品自动升降台并将物料浸没于液化co2中，开始新一轮物料冻结。上述结构设计可以实现在不泄压的前提下实现物料的投放和取出，使得采用液化co2作为低频超声辅助冷冻介质成为可能。采用液化co2作为超声浸渍冷冻的介质可以避免传统化学介质对食品品质带来的不利影响。
19.第四．整个急冻过程采用三段式操作，既可以发挥低频超声控制冰成核有益作用，又能有效避免超声的热效应。与传统化学液体介质相比，液化co2渗透性更强，热量交换更快。从而使得低频超声辅助液化co2冷冻速冻更快，形成冰晶更小。与现已存在的低频超声辅助速冻技术相比，低频超声协同液化co2高效速冻方法能够使得冰晶体尺寸进一步下降，原因是：液化co2温度降至-40℃以下，采用液态浸渍的方法冷冻食品，热量交换极快，可以实现物料的急冻，冻结速度快有利于产生更加细小和均匀的冰晶。其三段式操作温度分别对应移除潜热阶段，相变阶段，和深冻降温阶段。低频超声辅助主要作用于第二阶段相变阶段中，冰晶的形成主要在这个阶段完成。超声的应用有利于促进冰成核，加速相变过程，并控制形成的冰晶体尺寸。在co2浸渍速冻基础上，进一步缩短了通过最大冰晶生成带时间。相比于食品速冻工业上单纯-40℃的空气冷冻，冰晶体尺寸能够下降30%以上。
20.用此方法所得冻结产品解冻后，理化及营养指标保持较好，物料整体品质得到提升。
附图说明
21.图1 为本发明速冻装置的结构示意图；其中，1冷冻室，2液化二氧化碳，3冷冻物料，4超声阵子，5物料自动升降台，6第二温度传感器，7密封线圈，8盖子，9压力表，10第二温度传感器，11数字温度器，12超声发生器，13二氧化碳储气瓶，14二氧化碳回收装置，15冷冻线圈。
22.图2为本发明超声换能器的主视图。
23.图3为图2的侧视图。
具体实施方式
24.本发明一种基于冰晶体调控的低频超声辅助液化co2速冻方法包括以下步骤：1.原料预处理及预冷：（1）原料筛选及清洗：挑选大小均一，成熟度适中，无机械伤的好果，然后清洗干净；（2）切分：将清洗后的果蔬进行切分，控制单体体积不超过15 ml；（3）灭酶：采用95℃热水进行漂烫处理，根据果蔬类型、体积和形态不同，漂烫时间控制在1~5 min；（4）水冷：将漂烫后的果蔬迅速置于冷水中冷却，以快速降低温度；（5）沥干：将灭酶并冷却后的果蔬物料沥干表面的水分；
（6）预冷：将沥干水分后的果蔬物料风冷至-4℃。
25.2.液化co2速冻将预处理后的物料置于冷冻室内，并将精密热电偶插入其中一个样品中心位置，测量物料中心温度变化；关闭阀门，保持冷冻室密封状态；打开真空阀将冷冻室内的空气抽出，关闭真空阀门；打开co2进气阀至压力为3~5 mpa，关闭进气阀门；开启制冷对冷冻室内进行降温并同时打开加压泵对腔内co2进行加压至10 mpa左右，腔内温度下降到-40℃以下停止加压，完成对co2气体的液化并开始对物料的冷冻。以上液化过程在2~3 min内完成，液化co2体积不低于整个冷冻室内的五分之四体积。整个冷冻过程在10 min内完成。
26.3.超声波辅助冻结待物料中心温度下降至0℃时，开启超声波，其作用频率为28 khz，依据物料不同，调节超声强度为0.1~0.6 w/cm2，作用模式为脉冲方式（开10 s，关10 s）；当物料中心温度下降至-5℃时，关闭超声波；当物料中心温度达到-18℃时，冷冻完成。
27.4.冻结物料的取出及连续冻结待冻结完成后（物料中心温度降低至-18℃），打开样品自动升降台，将物料提升至冷冻室出口处，并脱离液化co2液面。冷冻室内分隔板关闭，将下部液化co2进行单独密封，然后打开冷冻室出口盖门，将冷冻后物料取出包装后迅速转移至-18℃冷冻室。然后将下一批物料置于自动升降台上，关闭冷冻室出口盖门，打开腔内分隔板，降下自动升降台并将物料浸没于液化co2中，开始新一轮物料冻结。
28.本发明的低频超声辅助液化co2速冻装置，系统密封性及保温性好，co2回收率高。连续速冻操作时，补充液化co2的次数≦1次/2天。
29.本发明的低频超声辅助液化co2速冻装置，冷冻室为圆柱形，底部设计为弧面，能够承受腔体内大于10 mpa压力。
30.本发明的低频超声辅助液化co2速冻装置，超声换能器设计为弧面，以保证和冷冻室外壁紧密贴合；超声换能器能够穿透5 mm厚钢板并发挥作用。
31.以下结合具体实例进一步说明本发明。
32.实施例1：哈密瓜（1）原料预处理：a、原料筛选及清洗：挑选大小均一，成熟度适中，无机械伤的哈密瓜，然后清洗干净；b、切分：将清洗后的哈密瓜沿中心赤道线切分，然后采用自制打孔器打出直径2.5 cm、高3 cm的圆柱体哈密瓜样品；c、灭酶：采用95℃热水进行漂烫处理，漂烫时间控制在3 min；d、水冷：将漂烫后的哈密瓜样品迅速置于冷水中冷却，以快速降低温度；e、沥干：将灭酶并冷却后的哈密瓜样品沥干表面的水分；f、预冷：将沥干水分后的哈密瓜物料风冷至-4℃。
33.（2）液化co2速冻将预处理后的哈密瓜样品置于冷冻室内，并将精密热电偶插入其中一个样品中心位置，测量物料中心温度变化；关闭阀门，保持冷冻室密封状态；打开真空阀将冷冻室内的空气抽出，关闭真空阀门；打开co2进气阀至压力为3~5 mpa，关闭进气阀门；开启制冷对冷
冻室内进行降温并同时打开加压泵对腔内co2进行加压至10 mpa左右，腔内温度下降到-40℃以下停止加压，完成对co2气体的液化并开始对物料的冷冻。以上液化过程在2~3 min内完成，液化co2体积不低于整个冷冻室内的五分之四体积。整个冷冻过程在10 min内完成。
34.（3）超声波辅助冻结待哈密瓜物料中心温度下降至0℃时，开启超声波，其作用频率为28 khz，依据物料不同，调节超声强度为0.1~0.6 w/cm2，作用模式为脉冲方式（开10 s，关10 s）；当物料中心温度下降至-5℃时，关闭超声波；当物料中心温度达到-18℃时，冷冻完成。
35.（4）冻结哈密瓜的取出及连续冻结待冻结完成后（哈密瓜样品中心温度降低至-18℃），打开样品自动升降台，将物料提升至冷冻室出口处，并脱离液化co2液面。冷冻室内分隔板关闭，将下部液化co2进行单独密封，然后打开冷冻室出口盖门，将冷冻后哈密瓜样品取出包装后迅速转移至-18℃冷冻室。然后将下一批哈密瓜样品置于自动升降台上，关闭冷冻室出口盖门，打开腔内分隔板，降下自动升降台并将哈密瓜样品浸没于液化co2中，开始新一轮冻结。
36.实验同时设置-40℃空气冷冻以及低频超声辅助-40℃化学液体介质（30%氯化钙溶液）浸渍冷冻作为对照。
37.实验结果显示，相比普通速冻，低频超声辅助液化co2冷冻哈密瓜使冻结时间缩短了 15%，冰晶体尺寸下降超过30%，汁液流失率降低了15%，硬度提升了14%。相比超声辅助化学液体介质速冻，冻结时间缩短了5%，冰晶体尺寸下降超过8%，汁液流失率降低了10%，硬度提升了6%。
38.实施例2：葡萄（1）原料预处理：a、原料筛选及清洗：挑选大小均一，成熟度适中，无机械伤的葡萄果实，然后清洗干净；b、灭酶：采用95℃热水进行漂烫处理，漂烫时间控制在2 min；c、水冷：将漂烫后的葡萄样品迅速置于冷水中冷却，以快速降低温度；d、沥干：将灭酶并冷却后的葡萄样品沥干表面的水分；e、预冷：将沥干水分后的葡萄物料风冷至-4℃。
39.（2）液化co2速冻将预处理后的葡萄样品置于冷冻室内，并将精密热电偶插入其中一个样品中心位置，测量物料中心温度变化；关闭阀门，保持冷冻室密封状态；打开真空阀将冷冻室内的空气抽出，关闭真空阀门；打开co2进气阀至压力为3~5 mpa，关闭进气阀门；开启制冷对冷冻室内进行降温并同时打开加压泵对腔内co2进行加压至10 mpa左右，腔内温度下降到-40℃以下停止加压，完成对co2气体的液化并开始对物料的冷冻。以上液化过程在2~3 min内完成，液化co2体积不低于整个冷冻室内的五分之四体积。整个冷冻过程在10 min内完成。
40.（3）超声波辅助冻结待葡萄物料中心温度下降至0℃时，开启超声波，其作用频率为28 khz，依据物料不同，调节超声强度为0.1~0.6 w/cm2，作用模式为脉冲方式（开10 s，关10 s）；当物料中心温度下降至-5℃时，关闭超声波；当物料中心温度达到-18℃时，冷冻完成。
41.（4）冻结葡萄的取出及连续冻结
待冻结完成后（葡萄样品中心温度降低至-18℃），打开样品自动升降台，将物料提升至冷冻室出口处，并脱离液化co2液面。冷冻室内分隔板关闭，将下部液化co2进行单独密封，然后打开冷冻室出口盖门，将冷冻后葡萄样品取出包装后迅速转移至-18℃冷冻室。然后将下一批葡萄样品置于自动升降台上，关闭冷冻室出口盖门，打开腔内分隔板，降下自动升降台并将葡萄样品浸没于液化co2中，开始新一轮冻结。
42.实验同时设置-40℃空气冷冻以及低频超声辅助-40℃化学液体介质（30%氯化钙溶液）浸渍冷冻作为对照。
43.实验结果显示，相比普通速冻，低频超声辅助液化co2冷冻葡萄使冻结时间缩短了 12%，冰晶体尺寸下降超过30%，汁液流失率降低了13%，硬度提升了12%。相比超声辅助化学液体介质速冻，冻结时间缩短了6%，冰晶体尺寸下降超过7%，汁液流失率降低了10%，硬度提升了8%。
44.实施例3：胡萝卜（1）原料预处理：a、原料筛选及清洗：挑选大小均一，成熟度适中，无机械伤的胡萝卜，然后清洗干净；b、切分：将清洗后的胡萝卜采用自制打孔器打出直径2.5 cm的圆柱体，然后切成厚度为1 cm的样品；c、灭酶：采用95℃热水进行漂烫处理，漂烫时间控制在1 min；d、水冷：将漂烫后的胡萝卜样品迅速置于冷水中冷却，以快速降低温度；e、沥干：将灭酶并冷却后的胡萝卜样品沥干表面的水分；f、预冷：将沥干水分后的胡萝卜物料风冷至-4℃。
45.（2）液化co2速冻将预处理后的胡萝卜样品置于冷冻室内，并将精密热电偶插入其中一个样品中心位置，测量物料中心温度变化；关闭阀门，保持冷冻室密封状态；打开真空阀将冷冻室内的空气抽出，关闭真空阀门；打开co2进气阀至压力为3~5 mpa，关闭进气阀门；开启制冷对冷冻室内进行降温并同时打开加压泵对腔内co2进行加压至10 mpa左右，腔内温度下降到-40℃以下停止加压，完成对co2气体的液化并开始对物料的冷冻。以上液化过程在2~3 min内完成，液化co2体积不低于整个冷冻室内的五分之四体积。整个冷冻过程在10 min内完成。
46.（3）超声波辅助冻结待胡萝卜物料中心温度下降至0℃时，开启超声波，其作用频率为28 khz，依据物料不同，调节超声强度为0.1~0.6 w/cm2，作用模式为脉冲方式（开10 s，关10 s）；当物料中心温度下降至-5℃时，关闭超声波；当物料中心温度达到-18℃时，冷冻完成。
47.（4）冻结胡萝卜的取出及连续冻结待冻结完成后（胡萝卜样品中心温度降低至-18℃），打开样品自动升降台，将物料提升至冷冻室出口处，并脱离液化co2液面。冷冻室内分隔板关闭，将下部液化co2进行单独密封，然后打开冷冻室出口盖门，将冷冻后胡萝卜样品取出包装后迅速转移至-18℃冷冻室。然后将下一批胡萝卜样品置于自动升降台上，关闭冷冻室出口盖门，打开腔内分隔板，降下自动升降台并将胡萝卜样品浸没于液化co2中，开始新一轮冻结。
48.实验同时设置-40℃空气冷冻以及低频超声辅助-40℃化学液体介质（30%氯化钙
溶液）浸渍冷冻作为对照。
49.实验结果显示，相比普通速冻，低频超声辅助液化co2冷冻胡萝卜使冻结时间缩短了 11%，冰晶体尺寸下降超过30%，汁液流失率降低了10%，硬度提升了12%。相比超声辅助化学液体介质速冻，冻结时间缩短了5%，冰晶体尺寸下降超过6%，汁液流失率降低了8%，硬度提升了8%。