介质阻挡放电作用下牛肉解冻特性及机理研究_赵瑞.pdf
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1、123赵瑞等介质阻挡放电作用下牛肉解冻特性及机理研究第 2 期第 42 卷 第 2 期2023 年 4 月内蒙古工业大学学报(自然科学版)Journal of Inner Mongolia University of Technology(Natural Science Edition)Vol.42 No.2Apr.2023文章编号:1001-5167(2023)02-0123-08介质阻挡放电作用下牛肉解冻特性及机理研究赵瑞1,2,丁昌江1,2,王惠鑫1,2,鲍雨婷1,2,宋智青1,2,陈浩1,2,卢静莉1(1.内蒙古工业大学 理学院,呼和浩特 010051;2.内蒙古工业大学 放电等离子体
2、与功能材料应用实验室,呼和浩特 010051)Study on thawing characteristics and mechanism of beef under dielectric barrier dischargeZHAO Rui1,2,DING Changjiang1,2,WANG Huixin1,2,BAO Yuting1,2,SONG Zhiqing1,2,CHEN Hao1,2,LU Jingli1收稿日期:2022-07-27基金项目:国家自然科学基金项目(52067017);内蒙古自治区自然科学基金项目(2022LHMS01002);内蒙古自治区直属高校基本科研业务费项目
3、(JY20220232)第一作者:赵瑞(1999),男,2020 级硕士研究生。主要从事高压电场解冻技术研究。E-mail:通信作者:丁昌江(1978),男,博士,教授,硕士生导师。主要从事等离子体物理,高压电场干燥和解冻技术研究。E-mail:(1.School of Science,Inner Mongolia University of Technology,Hohhot 010051,China;2.Application Laboratory Discharge Plasma and Functional Materials,Inner Mongolia University of
4、Technology,Hohhot 010051,China)Abstract:To explore the thawing mechanism and product quality of beef thawed by dielectric barrier discharge(DBD,beef was thawed by dielectric barrier discharge with different needle spacings.The thawing rate,water holding capacity,color and infrared spectrum of beef w
5、ere measured,and the electric field,plasma composition and ionic wind speed generated by dielectric barrier discharge were simulated and measured.The results showed that DBD thawing could improve the thawing rate,enhance the water holding capacity and color saturation,nutrient retention was improved
6、 without affecting pH.Finite element simulation results show that the electric field distribution and the ionic wind speed are significantly affected by the needle spacing.The electric field intensity and the ionic wind speed are the maximum,which is basically consistent with the thawing result.It p
7、rovides theoretical and experimental basis for the development of DBD in thawing industry.Key words:dielectric barrier discharge;thaw;beef;simulation;infrared spectrum摘 要:为了探索介质阻挡放电解冻牛肉的解冻机理和产品品质,采用不同针间距的介质阻挡放电对牛肉进行解冻实验,测量了牛肉的解冻速率、持水性、色泽、红外光谱,并对介质阻挡放电产生的电场、等离子体成分、离子风速进行模拟仿真与测量。实验结果表明:介质阻挡放电解冻可以提高解冻速
8、率,增强牛肉保水性与颜色饱和度,营养成分保留能力较好且不影响pH。有限元模拟结果表明介质阻挡放电产生的电场分布与离子风速受针间距影响明显,在针间距为 8 cm8 cm 时,其电场强度与离子风速最大,与解冻结果基本一致。为介质阻挡放电解冻机理提供理论与实验依据。关键词:介质阻挡放电;解冻;牛肉;模拟仿真;红外光谱 中图分类号:TS 251 文献标志码:A牛肉是一种具有极高营养价值的肉类,其含有丰富的蛋白质、维生素以及矿物质。同时含有人体所需的 8 种必需氨基酸,所占比例均衡,几乎可被人体完全吸收利用,且必需氨基酸所占比例高于羊肉、猪肉和鸡肉1,因此牛肉倍受人们青睐。目前在工业上肉类最有效、最好的
9、储存方式为冷冻贮藏,但采用不当的解冻方式往往会造成产品口感下降、汁液流失严重、脂质氧化以及持水性下降等,造成严重的营养物质流失与经济损失2。传统的空气解冻、水解冻等,其解冻速率较慢,产品DOI:10.13785/ki.nmggydxxbzrkxb.2023.02.002124内蒙古工业大学学报(自然科学版)2023 年从内蒙古自治区呼和浩特市当地超市购买新鲜牛肉里脊,将牛肉切成质量为 411 g,规格为30 mm30 mm35 mm 的方块样品。放入冰箱在-20 下冷冻 48 h。介质阻挡放电解冻条件:电压 30 kV,极距10 cm,针间距分别为 2 cm2 cm、4 cm4 cm、6 cm
10、6 cm、8 cm8 cm、10 cm10 cm,温 度 为252,相对湿度为 38 2,外界风速为 0 m/s下进行解冻实验。将数字温度传感器插入牛肉几何中心记录牛肉中心温度,当牛肉中心温度到达-10 时开始解冻实验,每隔 5 min 记录一次中心温度,到达 10 时视为解冻结束,记录解冻所需时间并计算解冻速率。解冻速率计算公式为:(1)式中:m 为牛肉质量,t 为解冻所需时间。1.2 pH 与保水性测定将解冻后牛肉切成质量为 10.1 g 小条,切碎后与 10 ml 去离子水混合,室温静止 30 min,将溶液放入低速台式离心机(TDZ4-WS,中国),在4 000 r/min 条件下离心
11、 10 min,使用 pH 计(PHS-2F,中国)测量解冻后牛肉 pH 值。在解冻实验前用电子天平称取牛肉样品的质量,样品解冻后,用定性滤纸吸干表面汁液,用电子天平测量解冻后牛肉的质量。式中:m1为解冻前牛肉质量,m2为解冻后牛肉质量。将解冻后的牛肉切成牛肉小条,放入离心管中,使用低速台式离心机(TDZ4-WS,中国)以 4 000 r/min 离心 30 min,离心后用定性滤纸吸干表面水分,用电子天平测量离心后牛肉质量。(3)长时间暴露空气中容易受到微生物的污染,造成产品的汁液流失严重,影响产品品质2。而最近几十年,出现了一些新型的解冻技术,如微波解冻、超声波解冻等,可以有效克服这些问题
12、,但同样存在不可避免的缺陷。超声波解冻技术可以加快解冻,但是超声波振动会引起产品品质损失严重3。而微波解冻技术单一使用效率低。因此,在工业生产中探索新型的解冻方式十分必要。介 质 阻 挡 放 电(Dielectric barrier discharge,DBD)是一种新兴的非热食品加工技术,由两个金属电极组成,其中一个电极被介质所覆盖,并施加高电位差,在食品加工上有广泛应用。WU X M等4对牛奶进行介质阻挡放电杀菌处理,发现金黄色葡萄球菌和大肠杆菌在 80 V(120 s)处理下致死率可达到 100%。NI J B 等5通过介质阻挡放电对莲花花粉进行干燥,结果表明介质阻挡放电可明显降低干燥时
13、间,提高花粉颜色。MAKARI M N 等6发现随着介质阻挡放电处理时间的延长,黄曲霉孢子数量显著降低。闫斯亮等7利用介质阻挡放电对香蕉粉进行处理,发现随着处理强度的增加,香蕉粉的直链淀粉含量由 8.94 g/100 g 增至 27.26 g/100 g,溶解度由 1.23 g/100 g 增至 4.37 g/100 g。目前在食品方面的研究主要是去污、杀菌以及干燥等相关研究8,但将介质阻挡放电用于食品解冻方面的研究较少。本研究主要是采用不同针间距的介质阻挡放电对牛肉进行解冻实验。通过测量解冻速率、解冻时间、保水性、色差、pH 值、红外光谱等指标探究牛肉品质特性,同时利用软件对不同针间距的介质
14、阻挡放电进行电场特性模拟,并测量等离子体光谱与离子风速探究其解冻机理。为介质阻挡放电解冻的应用提供理论依据和实验基础。1 实验材料和方法1.1 实验装置与方法介质阻挡放电解冻装置如图 1 所示,实验装置主要由 YD(JZ)-1.5/50 型高压电源、KZX-1.5KVA型控制器、以及针极板、介质阻挡板和接地平板电极组成介质阻挡放电系统。通过控制器调节高压电源的输出电压为 30 kV,频率为 50 Hz 的交流电。针极板的针长度为 30 mm,宽度为 1 mm,接地平板是尺寸为 85 cm40 cm 的铁板,针尖与接地平板间距为 10 cm,介质阻挡板尺寸为 100 cm60 cm,厚度为 5
15、mm 的聚氯乙烯板。图 1介质阻挡放电实验装置图Fig.1Diagram of the experimental device for dielectric barrier dischargetm=解冻速率()%汁液流失率100121-=mmm (2)()%100-=abammm离心损失率125赵瑞等介质阻挡放电作用下牛肉解冻特性及机理研究第 2 期式中:ma为离心前牛肉质量,mb为离心后牛肉质量。将解冻后牛肉放入 97 数显恒温水浴锅(HH-4,中国),水浴蒸煮 30 min 后取出,室温冷却 30 min。称取蒸煮后牛肉质量。(4)式中:m3为蒸煮前牛肉质量,m4为蒸煮后牛肉质量。1.3
16、色泽使用全自动色差仪(3nh-NR60CP,深圳)分别测量新鲜牛肉样品和解冻后牛肉样品表面 L(亮度)、a(红度)、b(黄度),每次实验前将色差仪进行黑板矫正。每块牛肉重复测量 5 次,计算平均值为最终结果。并利用如下公式计算牛肉颜色饱和度C 以及色调角度 (0 和 360 为红色,270 为蓝色,180 为绿色,90 为黄色)。(5)(6)(7)其中:L0、a0、b0分别是解冻前牛肉的亮度、红度和黄度;L1、a1、b1分别是解冻后牛肉的亮度、红度和黄度。1.4 红外光谱与等离子体光谱测量将解冻后牛肉样品放置在 40 烘箱中烘干研磨成粉末,按照 1:50 与溴化钾混合,使用 HY-12 型压片
17、机中进行压片,放入傅里叶变换红外光谱仪(IRTracer-100,日本)进行样品扫描,扫描范围为 4004 000 cm-1。对所得曲线进行处理,去除水分和二氧化碳干扰峰得到牛肉解冻后红外光谱图。使用 ICCD 检测器(DH334T-18U-E3,英国)对介质阻挡放电过程进行测量,得到波段范围为250800 cm-1内的发射光谱图。1.5 模型理论分析与参数设置模型理论分析:在介质阻挡放电过程中,电子在电场的作用下定向移动,与气体分子碰撞,产生二次电子。电子与二次电子继续定向运动,与更多的气体分子碰撞,产生更多的电子,最终形成电子雪崩,从而引发离子风效应。对于这一过程,汤森提出汤森电离系数:式
18、中:vi为单电子电离频率,Wd为电子漂移率,e为电子迁移率,ki为气体电离率系数。当电场强度增强时,所产生的离子风效应也会有所增强。因此电场强度对于介质阻挡放电就有重要影响,对于介质阻挡放电产生的空间电场分布,主要是使用泊松方程以及电荷转移。(9)电场与电势存在以下关系:(10)联合式(9)和(10)得到电势与空间电荷的分布关系:(11)式中:E 为电场强度,V 为电势,为电荷密度,0为真空中的介电常数。影响放电电流的 3 个因素主要是电荷传导、对流以及电荷的热运动。电流可通过下面的公式进行表达:(12)式中:J 为电流密度,D 为离子扩散系数,e为电子迁移率,Ue为气体流速。由于外界环境风速
19、为 0 m/s,假设空气保持静止状态,即电流密度与环境因素无关得到公式:(13)(14)因此可以通过下面公式确定空间电场的分布:采用 ANSYS Electronics Desktop 软件对此进行模拟,具体模拟条件如下:材料参数设置:针尖参数为针身 27 mm,针尖为 3 mm,针宽为 1 mm,材料为铁。下极板参数为厚度 3 mm,材料为铁。介质阻挡板参数为厚度5 mm,材料为聚氯乙烯。添加激励:对针尖施加 30 kV 的正向激励,下极板施加 0 kV 激励。边界条件:(16)(17)同时,在放电过程中带电粒子会在介质与气体之间的边界面上累积,这会使该界面两侧的电场出现不连续的情况,根据高
20、斯定理:(18)式中:为表面电荷密度,D1为气体间隙在边界处的电位移矢量,D2为介质在边界处的电位移矢量,()%100343-=mmm蒸煮损失率01LLL-=20202121babaC+-+=()()001111tantanbaba-。-=()()00nnEWkWvdidi=()()()001nEnEkie=0=EVE-=02-=V-+=DUEJe0=J0=-DEe()tVV=针0=平V()=-21DDn(8)()()()()()022222=-+-yvyqyvxqqyqxqDe(15)126内蒙古工业大学学报(自然科学版)2023 年n 为指向边界的单位矢量。求解器设置:求解器设定的最大计算
21、次数为10 次,每次误差为 1。利用有限元模拟软件本身的网格划分以及算法。求解计算得出不同实验组的电场空间分布图。1.6 离子风的测定使用热敏风速计探头(405i,德国)测量距针尖 7 cm(与牛肉上表面位置基本一致)位置处离子风速,每组实验测量 5 次。1.7 统计分析单因素方差分析和显著性分析则采用相关数据分析软件处理,其中单因素方差分析计算解冻后牛肉汁液流失率、离心损失率、蒸煮损失率、pH值、色泽、离子风的差异性,显著性差异则用 p 值(p0.05),说明介质阻挡放电解冻对于牛肉pH值无负面影响,其数值均为正常水平。2.3 保水性肉的保水性是评价肉品品质的主要指标之一,是指肉的持水能力,
22、即肉品在受到如挤压、加热、加工等外力作用时肌肉蛋白系统保持原本所含水分的能力12。汁液流失率,流失损失率和蒸煮损失率等是保水性的重要宏观指标。表 1 为解冻后牛肉持水性。经过介质阻挡放电解冻牛肉的汁液流失率与离心损失率显著(p0.05)。总体上,介质阻挡放电解冻技术可以降低牛肉损失率,提高牛肉的保水性,图 2解冻速率与解冻时间(不同字母表示样本均值之间存在显著差异(p0.05)Fig.2Thawing rate and thawing time.Different letters indicate significant differences(p 0.05)between sample me
23、ans.图 3解冻后牛肉 pH 值(不同字母表示样本均值之间存在显著差异(p0.05))Fig.3pH value of beef after thawing.Different letters indicate significant differences(p 0.05)between sample means.0.00.20.40.60.81.0自然解冻解冻速率/(gmin-1)解冻速率decedbaacb针间距/cm224466881010406080100 解冻时间解冻时间/minad0123456pHababababab针间距/cm自然解冻224466881010127赵瑞等介质阻
24、挡放电作用下牛肉解冻特性及机理研究第 2 期在针间距为 8 cm8 cm 时,达到最好的牛肉品质。说明解冻后牛肉向红色(0 或 360)发展,提升牛肉的色泽。2.5 傅里叶变换红外光谱图 4 为介质阻挡放电解冻后牛肉红外光谱,是波长范围为 4004 000 cm-1的透过率,通过扫描红外图谱共得到 10 个特征峰,这些峰集中在 1 100 1 660 cm-1与 2 8503 300 cm-1区间,经过查阅资料,这些特征峰归属如下16-17:3 294.4 cm-1是蛋白质 N-H 伸缩振动峰,2 926.0 cm-1和 2 854.6 cm-1分别是亚甲基的不对称和对称拉伸振动,1 654.
25、9 cm-1是蛋白质酰胺带,1 541.1 cm-1是蛋白质酰胺带,1 454.3 cm-1是 CH3的伸缩振动峰,1 394.5 cm-1是 CH2的伸缩振动峰,1 238.3 cm-1和 1 168.8 cm-1二者都与 C-O 的拉伸振动和 CH2的弯曲振动有关,1 118.7 cm-1是 C-O 的拉伸振动。经过介质阻挡放电解冻牛肉的特征峰透过率低于对照组,说明其牛肉各部分营养成分高于对照组,且对蛋白质酰胺带(1 654.9 cm-1),酰胺带(1 541.1 cm-1)保存效果明显,说明蛋白质结构保存较好,因此经过介质阻挡放电解冻牛肉保水性得到提高。在各实验组中,针间距为6 cm6
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