專利名稱：：一種超聲強化冷凍面團的設備及方法
技術領域：
：本發(fā)明涉及一種面團的冷凍設備和方法，具體來說，是一種超聲強化冷凍面團的設備和方法。
背景技術：
：冷凍加工能減緩食品劣變及病原體微生物的生長，降低絕大多數(shù)生化反應速度，可以有效保持食品鮮度、營養(yǎng)價值和原有風味，在各種食品加工手段中具有高度的安全性；用冷凍貯藏的方法保藏和運輸易腐食品具有重要的意義，又不會使食品受到污染，因此，食品冷凍技術在食品加工中得到廣泛應用。然而，由于水在結冰過程體積膨脹的異常性質，食品中水分在冷凍過程形成的較大冰晶對食品組織結構造成一定程度的破壞，導致冷凍食品的品質下降。為了改善冷凍加工對食品品質的影響，人們在設計和評價食品凍結設備和考慮食品凍結生產(chǎn)工藝、冷凍貯藏時，盡量優(yōu)化食品凍結時間、凍結速度以及凍藏溫度的穩(wěn)定等影響冷凍食品品質的重要因素。近年來發(fā)展起來的食品冷凍新技術新方法有高壓食品冷凍技術、冰核細菌和生物冷凍蛋白技術、CAS(細胞存活)凍結裝置和冰溫技術，本發(fā)明涉及的超聲強化冷凍技術也是其中之一。功率超聲在食品內(nèi)部溶液中會產(chǎn)生超聲空化效應或機械效應，以及一系列次級效應。湍動效應、界面效應和微擾效應等超聲空化次級效應對食品冷凍的傳熱過程有積極影響，能使邊界層減薄，接觸面積增大，傳熱阻滯減弱，有利于提高傳熱速率，強化傳熱過程。已有研究表明，超聲波能促進冰結晶的成核和抑制晶體生長。超聲空化效應產(chǎn)生的大量微小氣泡在凍結過程中可以作為冰結晶所必需的晶核；超聲空化后形成的沖擊波和微射流可以破碎已有冰晶，形成分散的細小晶體成為凍結過程的小晶核。冷凍調理食品具有衛(wèi)生、食用方便、營養(yǎng)合理、能耗低及減輕家務勞動等優(yōu)點。面粉是調理食品的主要原料之一，在調理食品中以面團的形式存在。普通的冷凍方式會形成大冰晶破環(huán)面筋蛋白網(wǎng)絡結構，造成面團質量下降。超聲強化冷凍面團可以加速面團的冷凍速率，在面團內(nèi)部形成較小的冰晶體，改善冷凍面團品質。目前尚未有超聲強化冷凍面團的裝置及方法
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明目的在于克服現(xiàn)有技術中存在的缺點，提供一種超聲強化冷凍面團的設備。本發(fā)明的另一發(fā)明目的在于提供一種超聲強化冷凍面團的方法。為達到上述目的，本發(fā)明采取了如下技術方案一種超聲強化冷凍面團的設備，由超聲波裝置、溫度檢測裝置和冷卻循環(huán)裝置組成，其中，超聲波發(fā)生器與底部帶有超聲換能器(11)的超聲槽(5)構成超聲波裝置；鎳-鉻合金熱電偶探頭(3)、掃描式熱電偶測溫儀(4)和計算機(12)構成溫度檢測裝置；管路一(1)、管路二(7)和熱交換冷卻器(10)組成冷凍循環(huán)裝置；各部件連接方式是鎳_鉻合金熱電偶探頭(3)置于超聲槽(5)中的面團內(nèi)部，掃描式熱電偶測溫儀(4)實時監(jiān)測面團內(nèi)部溫度，并輸送到計算機(12)記錄；超聲波發(fā)生器把頻率為50Hz的商用電轉換為超聲頻電，經(jīng)導線(8)輸送到超聲換能器(11)，超聲換能器(11)將電能轉化成超聲機械能在超聲槽(5)內(nèi)的冷凍媒質中傳播；熱交換冷卻器(10)貯液槽內(nèi)的冷凍媒質在壓力泵作用下，通過管路二(7)從超聲槽(5)底部進入超聲槽，超聲槽(5)內(nèi)的冷凍媒質經(jīng)過超聲槽(5)的溢流口通過管路一(1)回到熱交換冷卻器(10)的貯液槽，實現(xiàn)冷凍媒質的循環(huán)。所述的管路二(7)和管路一(1)的外表面包有保溫材料，管路一(1)和管路二(7)在靠近超聲槽的一端裝有球形閥門；超聲槽(5)的器壁和熱交換冷卻器(10)貯液槽的器壁制造成夾層，夾層內(nèi)部填充保溫材料。一種超聲強化冷凍面團的方法，包括以下步驟(1)在熱交換冷卻器(10)的貯液槽和超聲槽(5)內(nèi)注入冷凍媒質，開啟熱交換冷卻器(10)，設定熱交換冷卻器(10)貯液槽內(nèi)的冷凍媒質溫度為-24-22°C;(2)開啟管路一(1)、管路二(7)與超聲槽(5)間的球形閥門，然后開啟冷凍循環(huán)裝置的壓力泵，設定泵的轉速為25003500r/min;(3)待超聲槽(5)內(nèi)的冷凍媒質的溫度降至-21-20°C;調節(jié)壓力泵的流速，使得超聲槽(5)內(nèi)的冷凍媒質的溫度維持在-21-20°C;(4)將面團成型為圓柱體，用食品用保鮮膜緊貼包裹面團后，將面團置于超聲槽(5)內(nèi)的冷凍媒質中，使得圓柱形面團的下底面離超聲槽底面有46cm的距離；(5)在超聲槽(5)內(nèi)的冷凍媒質中放置面團的同時，開啟超聲波裝置，設定超聲電功率為224-418W，超聲波占空比為1:1.51:4;(6)開啟溫度檢測裝置，用計算機(12)記錄冷凍過程面團的溫度變化直至面團中心點溫度降至-18-17'C，冷凍結束。所述冷凍媒質為40%60%體積的乙二醇溶液既是面團浸漬冷凍的媒質，也是超聲波在超聲槽內(nèi)傳播的傳聲媒質。本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，具有如下優(yōu)點和有益效果(1)在超聲強化冷凍面團的過程中，超聲波在面團內(nèi)部傳播時引起的各種效應促進了面團冷凍過程，如超聲空化強化食品內(nèi)部固液界面的冷凍傳熱過程和食品內(nèi)部冰晶成核過程，適宜參數(shù)的超聲波作用能縮短面團的冷凍總時間，強化冷凍效率。(2)超聲波作用通過提高了面團冷凍過程的效率，有利于在面團內(nèi)部形成數(shù)量較多的細小晶核，由于晶核數(shù)量增加，在冷凍和冷藏過程中結晶生長形成的晶粒尺寸較小，對面筋網(wǎng)絡結構的破壞減少，改善了冷凍面團的品質。(3)本發(fā)明的超聲強化冷凍面團裝置結構簡單，操作和控制簡便，效率高。圖1為分別經(jīng)普通冷凍或超聲冷凍后，冰晶升華后在冷凍面團內(nèi)部留下的孔隙的孔徑分布曲線；圖2a為經(jīng)普通冷凍，冰晶升華后冷凍面團斷裂面放大倍數(shù)100X的掃描電子顯微鏡照片；圖2b為經(jīng)超聲冷凍，冰晶升華后冷凍面團斷裂面放大倍數(shù)100X的掃描電子顯微鏡照片；圖2c為經(jīng)普通冷凍，冰晶升華后冷凍面團斷裂面放大倍數(shù)300X的掃描電子顯微鏡照片；圖2d為經(jīng)超聲冷凍，冰晶升華后冷凍面團斷裂面放大倍數(shù)300X的掃描電子顯微鏡照片；圖3為本發(fā)明超聲強化冷凍面團設備的結構示意圖3中l(wèi)為管路一，7為管路二；3為鎳-鉻合金熱電偶探頭，4為掃描式熱電偶測溫儀，5為超聲槽，8為連接超聲發(fā)生器和超聲換能器的線路，10為熱交換冷卻器，11為超聲換能器，12為計算機。具體實施例方式以下結合具體實施例對本發(fā)明做進一步說明，但本發(fā)明的實施方式不限于此。實施例l自行設計、委托加工超聲波裝置，選用的超聲波裝置的頻率為25KHz，換能器數(shù)量為IO個，最大峰值電功率為600W，超聲槽的規(guī)格為330X330X230mm，超聲設備工作時間和間歇時間在0999s可調；冷凍循環(huán)裝置可選用德國PeterHuber公司生產(chǎn)的MinistatCC1型熱循環(huán)裝置，其工作溫度范圍為-30。C20(TC，泵的流速20005000r/min可調；掃描式熱電偶測溫儀可選用美國Cole-Parmer公司生產(chǎn)的Model92000-05掃描式溫度記錄儀，帶有鎳-鉻合金熱電偶探頭并能將所測溫度數(shù)據(jù)實時傳送至連接的計算機；計算機可選用普通的PC機，安裝有溫度監(jiān)控軟件。將鎳-鉻合金熱電偶探頭3置于超聲槽5中的面團內(nèi)部，Model92000-05掃描式熱電偶測溫儀4實時監(jiān)測面團內(nèi)部溫度，并輸送到計算機12記錄;超聲波發(fā)生器把頻率為50Hz的商用電轉換為超聲頻電，經(jīng)導線8輸送到超聲換能器11，超聲換能器ll將電能轉化成超聲機械能在超聲槽5內(nèi)的冷凍媒質中傳播；MinistatCC1型熱交換器10貯液槽內(nèi)的冷凍媒質在壓力泵作用下，通過管路二7從超聲槽5底部泵入超聲槽，超聲槽5內(nèi)的冷凍媒質經(jīng)過超聲槽5的溢流口通過管路一1回到熱交換器10的貯液槽，實現(xiàn)冷凍媒質的循環(huán)。使用上述超聲強化冷凍面團的設備，取面筋含量為13.3%、水分含量為13.2%的面粉，加水至水分含量為67%后，成型為底面直徑為76mm,高為140mm的圓柱體面團，應用超聲強化冷凍面團。操作條件面團起始溫度23.5。C，冷凍媒質為50%(v/v)的乙二醇溶液，設定冷凍循環(huán)裝置貯液槽內(nèi)冷凍媒質溫度-24'C，泵轉速為2500r/min，控制超聲槽內(nèi)冷凍媒質溫度為-20'C，圓柱形面團底面離超聲槽底面為6cm，超聲電功率分別為0W(即無超聲波作用)、224W、288W和360W，占空比(超聲工作時間/間歇時間)為1:1.5,當面團中心溫度到達-17'C時，冷凍結束。本實施例在不同電功率的超聲波作用下，面團冷凍總時間和冷凍相變階段時間如表l所示。面團冷凍總時間指的是冷凍過程中，面團中心點溫度從23.5'C降至-17'C所需時間；冷凍相變階段時間指的是冷凍過程中，面團中心點溫度在0'C3'C波動時所經(jīng)歷的時間，在這段時間熱量的傳遞主要用于帶走冰結晶放出的潛熱。從表1可見，在面團的冷凍過程中，224W、288W和360W的超聲波作用能縮短冷凍總時間，288W和360W的超聲波作用能縮短冷凍相變階段時間。_￡j_超聲波電功率(W)面團冷凍總時間(min)冷凍相變階段時間(min)016151224160532881424636013942實施例"^使用實施例1的超聲強化冷凍面團設備，取面筋含量為13.3%、水分含量為13.2%的面粉，加水至水分含量為67%后，成型為底面直徑為20mra，高為40mm的圓柱形面團，應用超聲強化冷凍面團。操作條件面團起始溫度23.5°C，冷凍媒質為60%(v/v)的乙二醇溶液，設定冷凍循環(huán)裝置貯液槽內(nèi)冷凍媒質溫度-22°C，泵轉速為3500r/min，控制超聲槽內(nèi)冷凍媒質溫度為-21°C，圓柱形面團底面離超聲槽底面為5cm，超聲電功率分別為OW(即無超聲波作用)、224、288W、360W和418W，占空比為1:2，當面團中心溫度到達-18°C時，冷凍結束。本實施例所獲得的冷凍面團在溫度為30'C，相對濕度為70%的環(huán)境下解凍至中心溫度為15r時，制成厚度為lmm的面皮，用TA-XT2型質構分析儀測試面皮的最大穿破力。不同電功率超聲波作用后的冷凍面團制得的面皮的最大穿破力如表2所示。最大穿破力反映了面皮彈性的強弱。從表2可見，與未經(jīng)超聲冷凍相比，經(jīng)超聲冷凍后成型的面皮的最大穿破力增大；而且，電功率為288W時，面皮的最大穿破力達到最大值(276g)，而電功率為360W時，面皮的最大穿破力也在一個相對大的值(272g),因此，經(jīng)電功率為288W或360W的超聲波作用后，超聲冷凍面團的彈性保持得最好。表2超聲波電功率(w)面皮的最大穿破力(g)0204224211288276360272418268實施例3使用實施例1的超聲強化冷凍面團裝置，取面筋含量為13.3%、水分含量為13.2%的面粉，加水至水分含量為67%后，成型為底面直徑為20mm，高為40咖的圓柱形面團，應用超聲強化冷凍面團。操作條件面團起始溫度23.5°C，冷凍媒質為40%(v/v)的乙二醇溶液，設定冷凍循環(huán)裝置貯液槽內(nèi)冷凍媒質溫度-23'C，泵轉速為3000r/min，控制超聲槽內(nèi)冷凍媒質溫度為-20°C,圓柱形面團底面離超聲槽底面為4cm，超聲電功率為360W，占空比為1:3，當面團中心溫度到達-18'C時，冷凍結束。本實施例所獲得的冷凍面團在溫度為30。C，相對濕度為70%的環(huán)境下解凍至中心溫度為15^時，制成厚度為l誦的面皮，用TA-XT2型質構分析儀測試面皮的最大穿破力。不同占空比超聲波作用后的冷凍面團制得的面皮的最大穿破力如表3所示。從表3可以看出，超聲波作用能較好地保持面團的彈性，而且超聲作用占空比對面皮的最大穿破力的影響較大，占空比為1:2時，面皮的最大穿破力最大，面團的彈性保持得最好。表3超聲作用占空比面皮的最大穿破力(g)<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>實施例4使用實施例1的超聲強化冷凍面團設備，取面筋含量為13.3%、水分含量為13.2%的面粉，加水至水分含量為67%后，成型為底面直徑為15mm，高為100mm的圓柱形面團，應用超聲強化冷凍面團。操作條件面團起始溫度23.5'C，冷凍媒質為50%(v/v)的乙二醇溶液，設定冷凍循環(huán)裝置貯液槽內(nèi)冷凍媒質溫度-23°C，泵轉速為3000r/min，控制超聲槽內(nèi)冷凍媒質溫度為-20'C，圓柱形面團底面離超聲槽底面為4cm，超聲電功率為360W，占空比為1:4,當面團中心溫度到達-18'C時，冷凍結束。本實施例獲得的冷凍面團經(jīng)液氮低溫冷凍，斷裂制樣，真空干燥后，用壓汞儀測量其孔徑分布如圖1所示。壓汞儀分析結果表明，在冰結晶中總體積沒有明顯改善的情況下，面團經(jīng)超聲處理后粒徑在14pm范圍內(nèi)的冰晶數(shù)量有所降低，而粒徑在0.01lpm范圍內(nèi)的冰晶體增加。本實施例獲得的冷凍面團在-isr下貯藏i個月后，經(jīng)液氮低溫冷凍，斷裂制樣，真空干燥后，用掃描電子顯微鏡(SEM)分析其斷裂面表面形貌如圖2a、圖2b、圖2c、圖2d。SEM照片中冰晶升華留下的不規(guī)則孔隙可以反映冷凍過程樣品中的冰晶的大小和分布。由圖2a、圖2b、圖2c、圖2d可以看出，與普通冷凍面團相比，超聲冷凍面團內(nèi)部顆粒排列緊密，冰晶升華留下的不規(guī)則孔隙小而密集，斷裂面粗糙度降低，反映出適宜參數(shù)的超聲強化冷凍在面團內(nèi)部形成多而小的冰結晶。權利要求1、一種超聲強化冷凍面團的設備，其特征在于包括超聲波裝置、溫度檢測裝置和冷卻循環(huán)裝置，其中，超聲波發(fā)生器與底部帶有超聲換能器(11)的超聲槽(5)構成超聲波裝置；鎳-鉻合金熱電偶探頭(3)、掃描式熱電偶測溫儀(4)和計算機(12)構成溫度檢測裝置；管路一(1)、管路二(7)和熱交換冷卻器(10)組成冷凍循環(huán)裝置；各部件連接方式是鎳-鉻合金熱電偶探頭(3)置于超聲槽(5)中的面團內(nèi)部，掃描式熱電偶測溫儀(4)實時監(jiān)測面團內(nèi)部溫度，并將數(shù)據(jù)輸送到計算機(12)進行記錄；超聲波發(fā)生器把頻率為50Hz的商用電轉換為超聲頻電，經(jīng)導線(8)輸送到超聲換能器(11)，超聲換能器(11)將電能轉化成超聲機械能在超聲槽(5)內(nèi)的冷凍媒質中傳播；熱交換冷卻器(10)貯液槽內(nèi)的冷凍媒質在壓力泵作用下，通過管路二(7)從超聲槽(5)底部進入超聲槽，超聲槽(5)內(nèi)的冷凍媒質經(jīng)過超聲槽(5)的溢流口通過管路一(1)回到熱交換冷卻器(10)的貯液槽，實現(xiàn)冷凍媒質的循環(huán)。2、根據(jù)權利要求1所述的一種超聲強化冷凍面團的設備，其特征在于所述的管路二(7)和管路一(1)的外表面包有保溫材料，管路一(1)和管路二(7)在靠近超聲槽的一端裝有球形閥門；超聲槽(5)的器壁和熱交換冷卻器(10)貯液槽的器壁制造成夾層，夾層內(nèi)部填充保溫材料。3、一種超聲強化冷凍面團的方法，其特征在于包括以下步驟(1)在熱交換冷卻器(10)的貯液槽和超聲槽(5)內(nèi)注入冷凍媒質，開啟熱交換冷卻器(10)，設定熱交換冷卻器(10)貯液槽內(nèi)的冷凍媒質溫度為-24-22'C;(2)開啟管路一(1)、管路二(7)與超聲槽(5)間的球形閥門，然后開啟冷凍循環(huán)裝置的壓力泵，設定泵的轉速為25003500r/min;(3)待超聲槽(5)內(nèi)的冷凍媒質的溫度降至-21-20°C;調節(jié)壓力泵的流速，使得超聲槽(5)內(nèi)的冷凍媒質的溫度維持在-21-20°C;(4)將面團成型為圓柱體，食品用保鮮膜緊貼包裹面團后，將面團置于超聲槽(5)內(nèi)的冷凍媒質中，使得圓柱形面團的下底面離超聲槽底面有46cm的距離；(5)在超聲槽(5)內(nèi)的冷凍媒質中放置面團的同時，開啟超聲波裝置，設定超聲電功率為224-418W，超聲波占空比為1:1.51:4;(6)開啟溫度檢測裝置，用計算機(12)記錄冷凍過程面團的溫度變化直至面團中心點溫度降至-18-17°C，冷凍結束。4、根據(jù)權利3所述的一種超聲強化冷凍面團的方法，其特征在于所述冷凍媒質為40%60%體積的乙二醇溶液。全文摘要本發(fā)明提供一種超聲強化冷凍面團的設備和方法。本發(fā)明設備包括超聲波裝置、溫度檢測裝置和冷卻循環(huán)裝置；本發(fā)明方法采用乙二醇溶液為冷凍媒質和超聲波傳播媒質，在面團的浸漬冷凍過程施加超聲波作用。設備結構簡單，操作和控制簡便。應用本發(fā)明的設備和方法，面團冷凍過程傳熱和冰晶成核得到強化，與普通冷凍相比，縮短了面團的冷凍時間，在冷凍面團內(nèi)部形成的粒度較小、數(shù)量較多的冰晶；而且，冷凍后面團的彈性保持良好，冷凍面團的品質得到改善。文檔編號A21D6/00GK101455217SQ20081022071公開日2009年6月17日申請日期2008年12月31日優(yōu)先權日2008年12月31日發(fā)明者軼侯,宋國勝,琳李,李志新,胡松青,玲陳申請人:華南理工大學