物料电学特性

1、第六章 食品的电学特性及应用 1 定义 对食品电学性质的研究，虽然起步较晚，但随着食品工业的发展，近年越来越受到重视。食品电学性质主要是指：食品及其原料的导电特性、介电特性，以及其它电磁和物理特性。第一节第一节 基本概念基本概念2 2 电学性质的研究领域主要有两个方面：电学性质的研究领域主要有两个方面： 2.1 2.1 食品品质状态的监控食品品质状态的监控 食品的状态、成分变化往往反映在其电学性质的变化食品的状态、成分变化往往反映在其电学性质的变化上。用电测传感器的方法把握食品的特性，成了一些上。用电测传感器的方法把握食品的特性，成了一些食品工厂迈向自动化、效率化、规模化生产的重要手食品工厂迈

2、向自动化、效率化、规模化生产的重要手段。所谓段。所谓“机电一体化机电一体化”技术，其中许多测控部分都技术，其中许多测控部分都是利用了食品的电性学性质。尤其是在食品的非破坏是利用了食品的电性学性质。尤其是在食品的非破坏检测方面，电学性质尤为重要。检测方面，电学性质尤为重要。2.2.2.2.电磁物理加工电磁物理加工 用电磁物理技术对食品进行加工处理，这方面的技术用电磁物理技术对食品进行加工处理，这方面的技术主要有：静电电场处理技术、电磁波加工（远红外、主要有：静电电场处理技术、电磁波加工（远红外、微波、重叠波等）技术、通电加热技术、电微波、重叠波等）技术、通电加热技术、电滲滲透脱水透脱水技术、电磁

3、场处理技术等。技术、电磁场处理技术等。3电学特性分类电学特性分类从广义上说，物料的电学特性可分为二类。从广义上说，物料的电学特性可分为二类。 一类是主动电特性一类是主动电特性: :在物料内部存在某种能量而在物料内部存在某种能量而产生电位差，例如生物物料中的生物电位差；产生电位差，例如生物物料中的生物电位差； 另一类是被动电特性另一类是被动电特性, ,指影响物料所在空间的电指影响物料所在空间的电磁场及电流分布的一些特性，例如电阻、电导、介电磁场及电流分布的一些特性，例如电阻、电导、介电特性等。特性等。 本章主要讨论后一类电学特性。本章主要讨论后一类电学特性。4 4食品电学特性研究的意义食品电学特

4、性研究的意义(1)(1)食品加工中对食物资源充分利用的要求越来越高，同时也要求减少加工食品加工中对食物资源充分利用的要求越来越高，同时也要求减少加工中营养损失和生物活性物质活性的降低。而传统的加工方法要达到以上中营养损失和生物活性物质活性的降低。而传统的加工方法要达到以上要求，十分困难。要达到这一目的，只有发现全新的加工原理和开发新要求，十分困难。要达到这一目的，只有发现全新的加工原理和开发新的技术。电物理加工方法正是在这种形势下出现的一种最有前途的加工的技术。电物理加工方法正是在这种形势下出现的一种最有前途的加工新技术。新技术。(2)(2)构成食品的分子或粒子，大都具有某种荷电的性质。因此，

5、使用电场或构成食品的分子或粒子，大都具有某种荷电的性质。因此，使用电场或电磁场有可能对构成食品的最小单位进行最富效果的加工处理。电磁场有可能对构成食品的最小单位进行最富效果的加工处理。(3)(3)属于生鲜食品的水果、蔬菜、种子等在贮藏流通中，电磁场对其生理活属于生鲜食品的水果、蔬菜、种子等在贮藏流通中，电磁场对其生理活动进行有效的控制往往是保鲜的主要手段。这种生理作用己经被证实具动进行有效的控制往往是保鲜的主要手段。这种生理作用己经被证实具有巨大潜力。有巨大潜力。(4)(4)由于化石燃料能源的不可再生性，从长远观点看，电力将越来越在食品由于化石燃料能源的不可再生性，从长远观点看，电力将越来越在

6、食品工业的能耗中占有更大的比例。加之电能有方便、卫生、易控制等特点，工业的能耗中占有更大的比例。加之电能有方便、卫生、易控制等特点，所以在加热、杀菌、干燥等耗能较高领域，食品的电物理加工将逐步取所以在加热、杀菌、干燥等耗能较高领域，食品的电物理加工将逐步取代利用其他能源的技术。代利用其他能源的技术。(5)(5)电物理特性的检测，对食品加工自动化、品质控制精确化提供了重要手电物理特性的检测，对食品加工自动化、品质控制精确化提供了重要手段。段。5 5食品电学特性的应用概况食品电学特性的应用概况6 6食品电学特性加工的课题食品电学特性加工的课题 (1) (1)食品的电特性与其组织结构、力学性质、热学

7、性食品的电特性与其组织结构、力学性质、热学性质等的相互关联和影响质等的相互关联和影响; ; (2)(2)作为浓缩能源的电力，在食品工程传热传质操作中作为浓缩能源的电力，在食品工程传热传质操作中的合理应用方法的合理应用方法; ; (3)(3)以电力为基础的食品加工装置计算和设计理论的建以电力为基础的食品加工装置计算和设计理论的建立立; ; (4)(4)利用电学性质对食品品质的检测和评价利用电学性质对食品品质的检测和评价; ; (5)(5)通过传统加工方法与电力加工方法的合理组合，使通过传统加工方法与电力加工方法的合理组合，使电力加工从经济性、安全性和效率上满足实际生产的需电力加工从经济性、安全性

8、和效率上满足实际生产的需要。要。 第二节食品电学特性第二节食品电学特性 1、什么是电介质：一切绝缘体统称为电介质；或、什么是电介质：一切绝缘体统称为电介质；或者是在外电场的作用下内部结构发生变化，并且反过者是在外电场的作用下内部结构发生变化，并且反过来影响外电场的物质。来影响外电场的物质。 2、为什么要讨论电介质：电介质放入外场后，内、为什么要讨论电介质：电介质放入外场后，内部结构受外电场的作用而发生变化，并且反过来影响部结构受外电场的作用而发生变化，并且反过来影响外电场，使原来的电场分布发生变化，同时也使其它外电场，使原来的电场分布发生变化，同时也使其它的物理性能发生变化。我们有必要对变化后

9、的物理量的物理性能发生变化。我们有必要对变化后的物理量进行讨论。进行讨论。 一、电导特性一、电导特性(一一)电阻和电阻率电阻和电阻率欧姆定律指出，导体内的电流强度与欧姆定律指出，导体内的电流强度与其两端的电位差成正比其两端的电位差成正比. V=IR 导体的电阻。电阻及可由下式确定导体的电阻。电阻及可由下式确定 电阻率是表征导体性质的一个物理量，与导体尺寸无关的量电阻率是表征导体性质的一个物理量，与导体尺寸无关的量。(二二) 电导和电导率电导和电导率 电导是描述物体传导电流电导是描述物体传导电流 性能的物理量。性能的物理量。物体的电导是指该物体所通过电流与该物体所物体的电导是指该物体所通过电流与

10、该物体所加电压的比值。对于直流电路而言，这个数值加电压的比值。对于直流电路而言，这个数值就是电阻的倒数，单位为就是电阻的倒数，单位为S。电导率是电阻率的。电导率是电阻率的倒数，记为倒数，记为S/m电导和电导率的差别在于电导除了与物质性能有关电导和电导率的差别在于电导除了与物质性能有关外，还与该物体的大小、形状与导电时的端点位置外，还与该物体的大小、形状与导电时的端点位置有关；而电导率则仅与物质的性质有关。有关；而电导率则仅与物质的性质有关。 在交流电场中电导率与介电常数有如下关系在交流电场中电导率与介电常数有如下关系,介介电常数是描述物料电特性的一个重要参数电常数是描述物料电特性的一个重要参数

11、. MHzfmSfmFHzfmSffrrrr单位为单位式中上式也可写成大气介电常数。为介电损耗因数频率）电导率（式中：,/556. 0:/10854. 8)(/106 .55212020常用电阻来衡量电子型导体的导电能力常用电阻来衡量电子型导体的导电能力 用电导来衡量离子型导体的导电能力用电导来衡量离子型导体的导电能力(三三) 食品的电导特性及应用食品的电导特性及应用二、介电特性二、介电特性(一一) 电介质的极化和介电常数电介质的极化和介电常数 物体物体导体导体非导体非导体(电介质电介质)电子导体电子导体离子导体离子导体电介质其分子中的电子受到很大束缚力，电介质其分子中的电子受到很大束缚力，致

12、使电子不能自由移动致使电子不能自由移动,电介质在一般情况电介质在一般情况下是不导电的。下是不导电的。如果将电介质置于外加电场中，则电介质如果将电介质置于外加电场中，则电介质将被极化。将被极化。这时有极分子由杂乱的排列变为定向排这时有极分子由杂乱的排列变为定向排列，形成定向极化，产生了束缚电荷列，形成定向极化，产生了束缚电荷无极分子由于原子核偏离而极化，在电介质无极分子由于原子核偏离而极化，在电介质表面上出现正、负电荷。表面上出现正、负电荷。 无极分子当处在外电场中时，在场力作用下，本来处于重合中心的电子负)电荷“重心”发生了偏离，形成了一个电偶极子(dipole)。分子电偶极矩的方向沿外电场方

13、向。在外电场下产生的电偶极矩可称为感生电矩。对于一块电介质整体，由于介质中每一分子形成了电偶极子，沿电场排列。那么在介质的与外电场垂直的端面，也会形成极化电荷。这种极化就是电子位移极化。高频电场中，只有电子位移极化有效，所以它也称为光学极化。(1) (1) 电子位移极化电子位移极化构成分子的各原子或原子团在外电场作用下发生了偏移，构成分子的各原子或原子团在外电场作用下发生了偏移，而产生极化的现象。各原子的偏移，是在像弹性振动那而产生极化的现象。各原子的偏移，是在像弹性振动那样的振动下进行的。原子极化也称为红外极化。样的振动下进行的。原子极化也称为红外极化。(2)(2)原子极化原子极化对于由两个

14、以上原子结合的偶极子分子，即使没有电场作用对于由两个以上原子结合的偶极子分子，即使没有电场作用也有一定固有电矩，因而是有极分子。水分子便是典型的偶也有一定固有电矩，因而是有极分子。水分子便是典型的偶极子分子，食品中含量较多的有极分子，虽然它们具有固有极子分子，食品中含量较多的有极分子，虽然它们具有固有电矩，但由于分子不规则的热运动，在无电场施加的电介质电矩，但由于分子不规则的热运动，在无电场施加的电介质中，所有分子固有电矩矢量和会相互抵消，宏观上不产生电中，所有分子固有电矩矢量和会相互抵消，宏观上不产生电场。但处于电场中时，分子电矩就会转向外电场方向。虽然场。但处于电场中时，分子电矩就会转向外

15、电场方向。虽然分子热运动会使这种转向不很完全，但总体排列也会使介质分子热运动会使这种转向不很完全，但总体排列也会使介质在垂直于电场方向的两端面产生极化电荷。这样的极化称作在垂直于电场方向的两端面产生极化电荷。这样的极化称作取向极化，也称为偶极子极化。取向极化，也称为偶极子极化。(3)(3)取向极化取向极化电介质的极化会产生相反电场，因而使电电介质的极化会产生相反电场，因而使电场中两电荷间的作用力减小。并使充满电场中两电荷间的作用力减小。并使充满电介质的电容器极板间的电位差减小，电容介质的电容器极板间的电位差减小，电容量增大。量增大。当平行板电容器两极板之间为真空时其电容当平行板电容器两极板之间

16、为真空时其电容的大小为：的大小为：式中式中s极板的面积，极板的面积，d是两极板内侧面之间的是两极板内侧面之间的距离。距离。dsUUqCba0加入电介质后，电容器的电容比真空时增大加入电介质后，电容器的电容比真空时增大倍。电介质的相对介电常数倍。电介质的相对介电常数dsUUqCrba0相对介电常数相对介电常数:在同一电容器中用某一物质作为在同一电容器中用某一物质作为电介质时的电容与其中为真空时电容的比值称电介质时的电容与其中为真空时电容的比值称为该物质的。为该物质的。是表示物料可能贮存的电场能量它反映该物是表示物料可能贮存的电场能量它反映该物料提高电容器电容量的能力。料提高电容器电容量的能力。0

17、CCr在正弦交流电流作用下，电阻两端的电压与在正弦交流电流作用下，电阻两端的电压与电流是同频率的正弦量，而且相位相同。电流是同频率的正弦量，而且相位相同。在纯电容电路中，相位上电流比电压超前在纯电容电路中，相位上电流比电压超前电介质可用理想电容和电阻组电介质可用理想电容和电阻组成的并联电路表示成的并联电路表示并联电路两端施加交流电压V，那么，电流将分别流过电阻和电容器。流过电阻的电流IR以与所施加电压V相同的相位流过，消耗称为热能。另一方面，流过电容器的电流Ic则以与所施加电压V成90的相位流过，其以电能形式贮存起来。所以，流过的全部电流I是IR和Ic的矢量和，即I=IRIc。被称为相位角，C

18、os 被称为功率因数，被称为损耗角，tan被称为损耗正切，tanIR/Ic,它表示所消耗的能量与所蓄积的能量之比。介质损耗角介质损耗角:简称介损角简称介损角 在交变电场作用下，电介质内流过的电在交变电场作用下，电介质内流过的电流相量和电压相量之间的夹角的余角流相量和电压相量之间的夹角的余角()。称作介质损耗角的正切称作介质损耗角的正切tg介电特性主要有三项介电特性主要有三项,相对介电常数相对介电常数 ,相对相对介质损耗因数介质损耗因数 ,介质损耗角的正切介质损耗角的正切关系为关系为:rrtgrrjrrrrtgej相对介质损耗因数相对介电常数复数相对介电常数rrr 相对介电常数相对介电常数 表示

19、食品可能贮存的电场表示食品可能贮存的电场能量能量,反映食品提高电容器电容量的能力反映食品提高电容器电容量的能力. 相对介质损耗因数相对介质损耗因数 反映电介质在交流电反映电介质在交流电场中可能损耗的能量，其值愈大表明物料在电磁场中可能损耗的能量，其值愈大表明物料在电磁波处理时加热愈快。波处理时加热愈快。rr介质损耗定义介质损耗定义 电介质在电场作用下，由于介质电导和电介质在电场作用下，由于介质电导和介质极化的滞后效应，在其内部引起的能量介质极化的滞后效应，在其内部引起的能量损耗。也叫介质损失，简称介损。损耗。也叫介质损失，简称介损。每立方厘米体积吸收的能量为每立方厘米体积吸收的能量为可知，在场

20、强不变的情况下，吸收能量是和频率可知，在场强不变的情况下，吸收能量是和频率成正比的。因此，在电介质加热应用中一般是在成正比的。因此，在电介质加热应用中一般是在高频下进行的。高频下进行的。12210tan)9/5(fEP）物质的介电常数（）电场频率（）电场强度（）吸收功率（mFHzfmVEscmWP/)/(3(三三) 静电特性静电特性 )/(221rqqKF 库仑定律库仑定律:相距为相距为r的两个点电荷的两个点电荷q1和和q2之间的相互作用力为之间的相互作用力为电场强度：电场中任一点的电场强度，在数值和电场强度：电场中任一点的电场强度，在数值和方向上等于单位正电荷在该点时所受的力。电场方向上等于

21、单位正电荷在该点时所受的力。电场强度是一矢量，单位是牛顿强度是一矢量，单位是牛顿库仑库仑 看出，点电荷在电场中所受的力可表示为：看出，点电荷在电场中所受的力可表示为： 将需要进行分离的物料作为电介质置于平将需要进行分离的物料作为电介质置于平板之间板之间. 任一平板上的电荷量任一平板上的电荷量q都是该电容都是该电容器电容器电容C与平板间电位差与平板间电位差V的乘积，即的乘积，即式中为每个板的面积，为板间距离。式中为每个板的面积，为板间距离。CVq )/(0dACr( (三三) )试验表明，食品或食品原料的介电特性试验表明，食品或食品原料的介电特性是受电场频率、物料含水率、温度及密是受电场频率、物

22、料含水率、温度及密度的影响度的影响由图可见，小麦在任何频率下介电常数随含水量的增加而增大，这是由于水的介电常数相当大的原因。损耗角正切则随含水率增加而增加或减小。这与物料品种和频率的大小有关。通常介电特性是随着含水率的变化而变化，在低频下要比高频下明显。介电常数随频率增加而介电常数随频率增加而减小，损耗角正切则随减小，损耗角正切则随频率增加而可能增加或频率增加而可能增加或减小，这要根据不同作减小，这要根据不同作物或含水率而定。损耗物或含水率而定。损耗因数是损耗角正切和介因数是损耗角正切和介电常数的乘积，随频率电常数的乘积，随频率作相应的变化。作相应的变化。研究表明，小麦的介电常数和损耗因数与温

23、度呈线性关系。图表示在给定含水率时，介电常数随温度升高而增大。试验研究还表明，介电常数和介质损耗因数还随物料容积密度而变化。( (三三) ) 植物损伤电位差是一种基本的生物电现象，植物损伤后与植物损伤电位差是一种基本的生物电现象，植物损伤后与其完整部位之间存在电位差，其数值大小随损伤组织的情其完整部位之间存在电位差，其数值大小随损伤组织的情况而变化。损伤电位一般都随着组织损伤时间的延长而逐况而变化。损伤电位一般都随着组织损伤时间的延长而逐渐降低，这表明损伤电位是活组织的一种生物学特性，反渐降低，这表明损伤电位是活组织的一种生物学特性，反映活组织浆膜的一种固有的电学性质。损伤电位的大小随映活组织

24、浆膜的一种固有的电学性质。损伤电位的大小随损伤点的距离增大而减小。损伤点的距离增大而减小。植物在光合作用过程中也有电位差。在植物植物在光合作用过程中也有电位差。在植物的光照部位和黑暗部位之间，或树叶上叶绿的光照部位和黑暗部位之间，或树叶上叶绿素含量不同部位之间都存在电位差，电位差素含量不同部位之间都存在电位差，电位差数值取决于光照强度的差别。数值取决于光照强度的差别。 实验表明，苹果的带电分布情况为：果芯实验表明，苹果的带电分布情况为：果芯部带负电，果肉部带正电，果柄处带负电，原部带负电，果肉部带正电，果柄处带负电，原来花尖处带正电。正电来源于大气，负电来源来花尖处带正电。正电来源于大气，负电

25、来源于大地。果皮为绝缘体，它能阻止电能损失。于大地。果皮为绝缘体，它能阻止电能损失。种子发芽期间，在胚芽部和其他部位间存种子发芽期间，在胚芽部和其他部位间存在电位差。这种发芽电流是检测发芽势的在电位差。这种发芽电流是检测发芽势的重要标志。发芽后的子叶带正电，根部带重要标志。发芽后的子叶带正电，根部带负电。细胞分裂越活跃和生长超旺盛的部负电。细胞分裂越活跃和生长超旺盛的部位，电位越高。位，电位越高。针刺鸡蛋的两点，若两点间存在电位差，针刺鸡蛋的两点，若两点间存在电位差，则说明是受精卵，可以孵化。电位差为则说明是受精卵，可以孵化。电位差为1520mV的是雄性，电位差为的是雄性，电位差为37mV的的

26、是雌性。是雌性。( (四四) )、射线及中子射线、原子射线、电子射射线及中子射线、原子射线、电子射线、紫外线等都属于射线类，当这些射线穿过食线、紫外线等都属于射线类，当这些射线穿过食品或农产品时，会对分子起到离子化作用，这种品或农产品时，会对分子起到离子化作用，这种现象叫做电离辐射。现象叫做电离辐射。电离辐射对生物作用的全过程，可以简化如下:2. 电离辐射对农产品和食品的影响 (1)生物学效应:生物学效应有杀菌、杀虫作用，使果树生长发育异常化，抑制马铃薯、洋葱、大蒜、地瓜等生根发芽，防止蘑菇开伞，延缓香蕉、番茄后熟，促进桃子、柿子成熟等 (2)化学效应:化学效应有增加干制食品的复水性能，提高小

27、麦面粉加工面包的性能，改进酒的品质，促使蛋白质、淀粉等的变性，提高发酵饲料中各种酶类的分解能力等。第三节第三节电特性测定电特性测定电特性包括介电常数、介质电特性包括介电常数、介质损耗因数和介质损耗角正切等。损耗因数和介质损耗角正切等。1谐振法谐振法 测定电导率、损耗角正切和相对介电常数测定电导率、损耗角正切和相对介电常数谐振法可用谐振法可用Q表来测定。表来测定。Q表是一个由可调表是一个由可调频率的振荡器激励一个频率的振荡器激励一个RLC电路，由电源、电路，由电源、谐振元件和电压表等三个主要元件组成。谐振元件和电压表等三个主要元件组成。AdCsr0)11(tan21211QQCCCmdmSCCC

28、FCFCs平板电极间的距离，电容器的平板面积。加物料后的电容，加物料前的电容，221212电桥法电桥法 在低频下测量物料介电系数和介质损耗正切在低频下测量物料介电系数和介质损耗正切原理是把被测试样作为一个桥臂，其它三原理是把被测试样作为一个桥臂，其它三个桥臂的阻抗是已知的，调节电桥达到平个桥臂的阻抗是已知的，调节电桥达到平衡。根据平衡条件求出试样的并联等值电容衡。根据平衡条件求出试样的并联等值电容和电阻，而计算出试样相对介电常数和损耗和电阻，而计算出试样相对介电常数和损耗角正切。角正切。相对介电常数相对介电常数,C,C0 0为介质真空时的电容为介质真空时的电容, ,只与电极系统有关的一个常数只

29、与电极系统有关的一个常数. .orCC32112311tgCRRC22RCtg欧姆加热欧姆加热欧姆加热的原理是把物料作为电路中欧姆加热的原理是把物料作为电路中一段导体一段导体, ,利用导电时它本身所产生利用导电时它本身所产生的热达到加热的目的。的热达到加热的目的。大多数食品含有可电离的酸和盐大多数食品含有可电离的酸和盐, ,当在当在食品物料的两端施加电场时食品物料的两端施加电场时, ,食品物料食品物料中通过电流并使其内部产生热量。中通过电流并使其内部产生热量。 对于极低水分、干燥状态的食品对于极低水分、干燥状态的食品, ,这种方这种方法也不适用。法也不适用。具有一定粘稠度、含颗粒食品物料具有一

30、定粘稠度、含颗粒食品物料 P=V2/R食品、食品原料中含有各种电解质，其电阻很食品、食品原料中含有各种电解质，其电阻很小，所以发热量大。小，所以发热量大。利用直流电会引起食品成分的电解变质，会使电利用直流电会引起食品成分的电解变质，会使电极很快发生电解腐蚀，食品被金属离子污染。极很快发生电解腐蚀，食品被金属离子污染。食品各部分的加热速度为食品各部分的加热速度为 式中，式中，密度；密度； cpcp各部分物料比热容；各部分物料比热容； RR电阻。电阻。所以通电加热在食品加工中一般采用交流电，其发热量为:食品物料经进泵流经欧姆加热管柱，物料逐渐被食品物料经进泵流经欧姆加热管柱，物料逐渐被加热到杀菌温

31、度，然后进人保温系统，达到要求加热到杀菌温度，然后进人保温系统，达到要求的杀菌强度，再经列管式热交换冷却器，最终进的杀菌强度，再经列管式热交换冷却器，最终进入无菌贮罐，以便进行无菌灌装。入无菌贮罐，以便进行无菌灌装。二二 高压脉冲电场杀菌高压脉冲电场杀菌具有杀菌时间短、能量使用率高、基本上不具有杀菌时间短、能量使用率高、基本上不破坏食品风味物质和营养物质等特点，能避破坏食品风味物质和营养物质等特点，能避免食品加热处理带来的不良影响。免食品加热处理带来的不良影响。利用高压脉冲电场杀灭液体食品中的有害微利用高压脉冲电场杀灭液体食品中的有害微生物，是近年来发展起来的一项新技术。生物，是近年来发展起来

32、的一项新技术。 Sale 和和 Hamilton(1967)发现，当给细胞膜加上外发现，当给细胞膜加上外加电场，细胞膜上的内外电势差（加电场，细胞膜上的内外电势差（TMP）增大，当）增大，当TMP达到达到1V左右时，细胞膜便失去功能。左右时，细胞膜便失去功能。 Zimmermann(1986)提出介电破坏理论，根据该提出介电破坏理论，根据该理论，细胞膜被看作为电容，在高压电脉冲作用下，理论，细胞膜被看作为电容，在高压电脉冲作用下，膜两侧电位差进一步变大，由于电荷相反，它们相互膜两侧电位差进一步变大，由于电荷相反，它们相互吸引形成挤压力，当吸引形成挤压力，当TMP达到达到1V左右时，挤压力大于左

33、右时，挤压力大于膜的恢复力时，膜就会破裂。膜的恢复力时，膜就会破裂。 Tsong(1991)从液态镶嵌模型出发，提出电穿孔从液态镶嵌模型出发，提出电穿孔理论，该理论认为，高压电脉冲会改变脂肪的分子结理论，该理论认为，高压电脉冲会改变脂肪的分子结构和增大部分蛋白质通道的开度，使细胞膜失去半渗构和增大部分蛋白质通道的开度，使细胞膜失去半渗透性质，细胞膨胀而死。透性质，细胞膨胀而死。1 1 杀菌机理杀菌机理 对模拟牛奶中的大肠埃希氏杆菌进对模拟牛奶中的大肠埃希氏杆菌进行高压脉冲电场处理，在透射电子显微行高压脉冲电场处理，在透射电子显微镜下可清楚地看见其形态改变且有明显镜下可清楚地看见其形态改变且有明

34、显压痕。在同样条件下分别对金黄色葡萄压痕。在同样条件下分别对金黄色葡萄球菌和啤酒酵母处理，在扫描电镜下可球菌和啤酒酵母处理，在扫描电镜下可观察到细胞壁收缩，变得粗糙，在透射观察到细胞壁收缩，变得粗糙，在透射电子显微镜下可观察到金黄色葡萄球菌电子显微镜下可观察到金黄色葡萄球菌的细胞质结构发生明显改变，啤酒酵母的细胞质结构发生明显改变，啤酒酵母的细胞质、细胞器外溢。的细胞质、细胞器外溢。2 2 杀菌效果杀菌效果 高压脉冲电场对微生物作用明显，而且酵高压脉冲电场对微生物作用明显，而且酵母比细菌更易被杀死，革兰氏阴性细菌比革兰母比细菌更易被杀死，革兰氏阴性细菌比革兰氏阳性细菌更易杀死。影响杀菌效果的主

35、要因氏阳性细菌更易杀死。影响杀菌效果的主要因素是电场强度和处理时间。对于细菌孢子，即素是电场强度和处理时间。对于细菌孢子，即使更高的指数形和方波高压脉冲电场，也对孢使更高的指数形和方波高压脉冲电场，也对孢子无效果，只对发芽的孢子有失活现象，但高子无效果，只对发芽的孢子有失活现象，但高压电场不促进孢子发芽；而双极形高压脉冲电压电场不促进孢子发芽；而双极形高压脉冲电场对细菌孢子有明显的作用。场对细菌孢子有明显的作用。3 3 影响微生物高压脉冲电场敏感性因素影响微生物高压脉冲电场敏感性因素 食品的电阻率越大，也就是食品中离子强度越小，杀菌食品的电阻率越大，也就是食品中离子强度越小，杀菌效果越好。但是

36、，离子能增大细胞的穿透膜电势。随着效果越好。但是，离子能增大细胞的穿透膜电势。随着食品中蛋白质、或脂肪、或黄原胶含量的增加，微生物食品中蛋白质、或脂肪、或黄原胶含量的增加，微生物对高压脉冲电场的抵抗力增强。含菌溶液温度高时的杀对高压脉冲电场的抵抗力增强。含菌溶液温度高时的杀菌效果比低时好。菌效果比低时好。pH值越小，微生物失活率越大。能量值越小，微生物失活率越大。能量相同、电压或波形不同的高压脉冲电场，杀菌效果不同。相同、电压或波形不同的高压脉冲电场，杀菌效果不同。能量及电压相同的方波形脉冲电场比指数形高压脉冲电能量及电压相同的方波形脉冲电场比指数形高压脉冲电场杀菌效果好。指数形双极性高压脉冲

37、电场比指数形单场杀菌效果好。指数形双极性高压脉冲电场比指数形单极性高压脉冲电场杀菌效果好。另外微生物的生长期、极性高压脉冲电场杀菌效果好。另外微生物的生长期、溶液的含菌量、食品处理室的结构等也与杀菌效果有关。溶液的含菌量、食品处理室的结构等也与杀菌效果有关。高压脉冲电场对粉状物料的杀菌效果不显著。高压脉冲电场对粉状物料的杀菌效果不显著。4 高压脉冲电场对酶的影响高压脉冲电场对酶的影响5 高压脉冲电场对食品质量的影响高压脉冲电场对食品质量的影响 用高压脉冲电场和热分别对苹果汁、牛奶（含用高压脉冲电场和热分别对苹果汁、牛奶（含2%脂脂肪）、全蛋液、碗豆汁杀菌，两种方法加工的食品的感官肪）、全蛋液、

38、碗豆汁杀菌，两种方法加工的食品的感官特性没有明显差别，只是电处理过的蛋液的颜色和粘度有特性没有明显差别，只是电处理过的蛋液的颜色和粘度有变化。高压脉冲电场对未过滤的苹果汁、果浆含量高的桔变化。高压脉冲电场对未过滤的苹果汁、果浆含量高的桔汁、菠罗汁、天冬甜素溶液的感官特性也没有影响，桔汁汁、菠罗汁、天冬甜素溶液的感官特性也没有影响，桔汁中维生素中维生素C的含量也没有改变，处理过的苹果汁比新鲜的的含量也没有改变，处理过的苹果汁比新鲜的苹果榨汁味道更好。高压脉冲电场加工的桔汁中易挥发物苹果榨汁味道更好。高压脉冲电场加工的桔汁中易挥发物质损失为质损失为13，萜二烯和丁酸乙酯的损失分别为，萜二烯和丁酸乙

39、酯的损失分别为15和和26，而热杀菌的桔汁中萜二烯和丁酸乙酯的损失分别为，而热杀菌的桔汁中萜二烯和丁酸乙酯的损失分别为60和和82。高压脉冲电场加工的桔汁中气味物质的损失率。高压脉冲电场加工的桔汁中气味物质的损失率为为3%，而热杀菌的损失率为，而热杀菌的损失率为22%，且，且3%的损失是由于处的损失是由于处理室设计不当造成。理室设计不当造成。食品处理室食品处理室检测仪表检测仪表脉冲电源脉冲电源冷却系统冷却系统容器容器泵泵高压脉冲电场杀菌系统示意图高压脉冲电场杀菌系统示意图三三 微波加热微波加热微波是一种具有极高频率微波是一种具有极高频率(300 MHz-300GHz ),(300 MHz-30

40、0GHz ),的电磁波。的电磁波。1 1 原理原理食品中的水分、蛋白质、脂肪、糖质等，都属食品中的水分、蛋白质、脂肪、糖质等，都属于电介质。在电磁场中它们都会发生极化反应。于电介质。在电磁场中它们都会发生极化反应。水分子是极性分子，正负电荷重心并不重合，水分子是极性分子，正负电荷重心并不重合，相当于偶极子。相当于偶极子。在自由状态下，这些分子极性呈杂乱排列，正负极在自由状态下，这些分子极性呈杂乱排列，正负极抵消，总体不显电性。在交变电场中时，水分子就抵消，总体不显电性。在交变电场中时，水分子就会跟随电场作极化运动，极化运动使水分子不断随会跟随电场作极化运动，极化运动使水分子不断随电磁场方向的变

41、化而转动。当电场频率增加，就会电磁场方向的变化而转动。当电场频率增加，就会使水分子极化运动快，产生更多的摩擦热。使水分子极化运动快，产生更多的摩擦热。（1）微波加热具有选择性）微波加热具有选择性偶极矩的取向极化都需要一定的时间。偶极矩的取向极化都需要一定的时间。每种极性分子，都有一定的吸收微波最大特征频率每种极性分子，都有一定的吸收微波最大特征频率当电磁波的频率超过或小于当电磁波的频率超过或小于 偶极子的特征频率偶极子的特征频率(或称固有频率或称固有频率)时，偶极子运动的频率会减慢，时，偶极子运动的频率会减慢，也就是说对微波的吸收效率减低。也就是说对微波的吸收效率减低。2 2 微波加热特点微波

42、加热特点（2）微波的反射和穿透特性）微波的反射和穿透特性 一般当波动遇到障碍物时，就会发生衍射。波长比障一般当波动遇到障碍物时，就会发生衍射。波长比障碍物尺寸越大，衍射越明显。当波长比障碍物尺寸小很多碍物尺寸越大，衍射越明显。当波长比障碍物尺寸小很多时，衍射效应可以忽略。这时波的传播服从几何光学规律。时，衍射效应可以忽略。这时波的传播服从几何光学规律。 微波因波长很小，所以和几何光线很接近。当遇到不微波因波长很小，所以和几何光线很接近。当遇到不吸收微波的物体如金属时，就会像光线一样被反射回来。吸收微波的物体如金属时，就会像光线一样被反射回来。利用这一性质可对微波的传输进行导波，或对不需要加热利

43、用这一性质可对微波的传输进行导波，或对不需要加热的食品部分用金属进行屏蔽。的食品部分用金属进行屏蔽。 由于微波的反射特性，用微波加热食品时就不需要电由于微波的反射特性，用微波加热食品时就不需要电极，只要像反光镜那样把微波射向食品就可进行加热。极，只要像反光镜那样把微波射向食品就可进行加热。 对吸收微波的食品，除部分反射外，微对吸收微波的食品，除部分反射外，微波则会穿透食品表面，把能量直接传到波则会穿透食品表面，把能量直接传到食品内部。微波的穿透深度食品内部。微波的穿透深度D(m)D(m)可用下可用下式表示式表示: : 式中，中，波长。波长。不过工业上常用半衰深度不过工业上常用半衰深度Dh(m)

44、Dh(m)表示微波的表示微波的穿透能力。穿透能力。DhDh即入射电场强度衰减至一半时即入射电场强度衰减至一半时的深度。半衰深度为穿透深度的的深度。半衰深度为穿透深度的0.350.35倍，可倍，可用下式算出用下式算出: : 式中，式中，DhDh半衰深度；半衰深度； ff微波频率。微波频率。可见半衰深度也是可见半衰深度也是tantan的函数，与微波频率有关。的函数，与微波频率有关。（3） 微微波加热的问题加热的问题 微波加热的最大问题就是加热不均匀。其原因主要有以下几点;微波加热的选择性。在微波 四四 远红外线加热远红外线加热 远红外线和微波一样都属于非电离辐射电磁波，把远红外线和微波一样都属于非

45、电离辐射电磁波，把波长为波长为0.781000m之间的电磁波称为红外线。之间的电磁波称为红外线。红外线电磁波波长范围相当宽。因此，又进一步把这红外线电磁波波长范围相当宽。因此，又进一步把这部分电磁波划分为近红外线部分电磁波划分为近红外线(0.781.4m)、中间、中间红外线红外线(1.43m)和远红外线和远红外线(3lmm)。在实际。在实际应用中，常使用的波长范围为应用中，常使用的波长范围为225m，因此，也，因此，也有人称这一段电磁波为远红外线。远红外线加热之所有人称这一段电磁波为远红外线。远红外线加热之所以在食品加工中得到很广泛的应用，主要是因为与热以在食品加工中得到很广泛的应用，主要是因

46、为与热风干燥或热风加热相比，远红外辐射的能量可以直接风干燥或热风加热相比，远红外辐射的能量可以直接被食品物料吸收，减少了能量损失。被食品物料吸收，减少了能量损失。1. 远红外辐射远红外辐射由物理学可知，热源物体的热辐射效率与物体的由物理学可知，热源物体的热辐射效率与物体的材质有关。热辐射效率最大的理想物体称为黑材质有关。热辐射效率最大的理想物体称为黑体。黑体的分光辐射能量表达式为，体。黑体的分光辐射能量表达式为， 式中，式中，C13740210-12Wcm2； C2143848cmK； 波长波长(m)； T热力学温度热力学温度(K)。 随黑体温度的上随黑体温度的上升，各波长的能量都升，各波长的

47、能量都有所增加，但分布曲有所增加，但分布曲线的峰值却偏向短波线的峰值却偏向短波方向。能量密度最大方向。能量密度最大的波长的波长max与温度与温度的反比例关系可用变的反比例关系可用变位定律表示位定律表示: 2.食品对远红外线的吸收食品对远红外线的吸收 远红外辐射对食品中水和其他物质分子的特远红外辐射对食品中水和其他物质分子的特殊振动效果，还是促进分子间互相结合、交联的殊振动效果，还是促进分子间互相结合、交联的动力。这对食品的熟成动力。这对食品的熟成(陈化陈化)有一定作用。例有一定作用。例如，在挂面制造中，用远红外干燥，不仅干燥效如，在挂面制造中，用远红外干燥，不仅干燥效率高，而且可以促进面筋的水

48、合作用，使制品比率高，而且可以促进面筋的水合作用，使制品比普通方法的口感滑润，更加筋进。用远红外处理普通方法的口感滑润，更加筋进。用远红外处理酒，可以使酒的陈放时间大大缩短，味进更香醇酒，可以使酒的陈放时间大大缩短，味进更香醇3 远红外线在食品中辐射深度远红外线在食品中辐射深度 波长越长，透过物体的深度越大。因此，波长越长，透过物体的深度越大。因此，比起其他光波，远红外辐射不仅可以直接把能比起其他光波，远红外辐射不仅可以直接把能量传播到物体表面，而且还能把能量传播到物量传播到物体表面，而且还能把能量传播到物体的一定深度。尽管这深度只有体的一定深度。尽管这深度只有1-2mm，但对，但对于一些薄的

49、物料，可以显著提高加热效率。远于一些薄的物料，可以显著提高加热效率。远红外被物体吸收的程度与被照射物体的颜色无红外被物体吸收的程度与被照射物体的颜色无关。因此，使用远红外辐射加热时，可使物料关。因此，使用远红外辐射加热时，可使物料不受本身颜色影响，受热比较均匀。不受本身颜色影响，受热比较均匀。4. 远红外线辐射优点远红外线辐射优点 (1)食品不必接触热源或传热介质就可以直接得食品不必接触热源或传热介质就可以直接得到加热到加热 (2)在食品周围保持低温状态下，可对食品进在食品周围保持低温状态下，可对食品进行加热；行加热； (3)加热可以不受食品周围气流影响；加热可以不受食品周围气流影响； (4)

50、加热速度快、效率高；加热速度快、效率高； (5)在热辐射电磁波中，远红外的光子能量级比在热辐射电磁波中，远红外的光子能量级比起紫外线、可见光线都要小。因此，一般只会产生起紫外线、可见光线都要小。因此，一般只会产生热效果，不会引起物质的化学变化，所以可以减少热效果，不会引起物质的化学变化，所以可以减少加热过程中营养成分或色香味的损失。加热过程中营养成分或色香味的损失。普通蛋白质在中性或碱性水溶液中，也以普通蛋白质在中性或碱性水溶液中，也以负离子状态存在，即负离子状态存在，即: 电位为负，其周围电位为负，其周围的水分子在蛋白质电位的感应下以水和氢的水分子在蛋白质电位的感应下以水和氢离子存在，形成所

51、谓离子气氛离子存在，形成所谓离子气氛固液分离对液体的流动相当于固体颗粒间毛细管固液分离对液体的流动相当于固体颗粒间毛细管中的流动中的流动, ,当沿毛细管方向有静电场时当沿毛细管方向有静电场时, ,毛细管内毛细管内液体受自身所带电荷影响液体受自身所带电荷影响, ,将对管壁产生运动将对管壁产生运动 豆腐渣电渗透脱水实验在同样压力条件下，采用豆腐渣电渗透脱水实验在同样压力条件下，采用电渗透方法的实验，当上电极为正极，下电极为电渗透方法的实验，当上电极为正极，下电极为负极时，脱水速度大于普通压滤，最终滤饼水分负极时，脱水速度大于普通压滤，最终滤饼水分也比较低。当上电极为负极，下电极为正极时，也比较低。

52、当上电极为负极，下电极为正极时，几乎没有电渗透效果。几乎没有电渗透效果。贮贮高压静电场处理能有效地延长番茄贮藏时高压静电场处理能有效地延长番茄贮藏时间，与对照组相比，在电场强度为间，与对照组相比，在电场强度为150kv/m, 150kv/m, 60min/60min/日的处理中能使番茄的呼吸高峰推迟日的处理中能使番茄的呼吸高峰推迟1414天出现，发现电场处理也有效地保持了番天出现，发现电场处理也有效地保持了番茄的硬度茄的硬度( (对比组已经软化，开始腐烂对比组已经软化，开始腐烂) )。这表。这表明电场处理用于保鲜贮藏有其潜在的优势。明电场处理用于保鲜贮藏有其潜在的优势。2 2 正高压静电场促进

53、人参种子后熟正高压静电场促进人参种子后熟结果表明，场强为结果表明，场强为2kV/cm，处理时间为，处理时间为5 - l 0min时效果正高压静电场明显促进人参种子后熟，提高时效果正高压静电场明显促进人参种子后熟，提高出苗率，加快参苗生长，提高人参产量出苗率，加快参苗生长，提高人参产量;负和正负间隔处理的高压静电场对其有抑制作负和正负间隔处理的高压静电场对其有抑制作用用; ;并有随处理场强加大，处理时间增大，处并有随处理场强加大，处理时间增大，处理理次数增多而产生抑制效果更强的趋势。次数增多而产生抑制效果更强的趋势。3 种子静电清选分级装置种子静电清选分级装置种子静电清选分级装种子静电清选分级装

54、置主要由种子的提升置主要由种子的提升及风选、静电处理及及风选、静电处理及分级和筛面分选三部分级和筛面分选三部分组成分组成部分活力低的种子由于电阻抗小，其导电性部分活力低的种子由于电阻抗小，其导电性能优于活力高的种子，产生较大的静电力，能优于活力高的种子，产生较大的静电力，活力高的种子由于电阻抗大、电导率低，不活力高的种子由于电阻抗大、电导率低，不易极化，结果产生的静电力和极化力均较易极化，结果产生的静电力和极化力均较小，故按运动轨迹小，故按运动轨迹2运动运动还有部分劣质种子或杂物，易被极化，受极化还有部分劣质种子或杂物，易被极化，受极化力大，其运动轨迹偏向滚筒，故按运动轨迹力大，其运动轨迹偏向

55、滚筒，故按运动轨迹1运运动，落入集种箱后部的分隔腔中。动，落入集种箱后部的分隔腔中。4. 静电熏制静电熏制5. 静电成型及撒粉装置静电成型及撒粉装置装置由一组料斗、供料器、装置由一组料斗、供料器、原料计量器原料计量器(配量盐、砂糖、配量盐、砂糖、发酵粉、酵母液等发酵粉、酵母液等)和静电和静电喷撒器、植物油的计量及电喷撒器、植物油的计量及电喷撒器组成。所有的电喷撒喷撒器组成。所有的电喷撒器都与高压电源的负极连接。器都与高压电源的负极连接。首先植物油滴成为荷电粒子，在首先植物油滴成为荷电粒子，在电场中飞向加热转简表面，形成电场中飞向加热转简表面，形成油层。然后，面粉和其他原料液油层。然后，面粉和其

56、他原料液滴形成的荷电粒子，在电极之间滴形成的荷电粒子，在电极之间的空间内交叉混合，喷向转简表的空间内交叉混合，喷向转简表面，形成一定厚度的带状料坯。面，形成一定厚度的带状料坯。转简不仅作为电场的正极，而且转简不仅作为电场的正极，而且还是用电热丝加热的加热体。转还是用电热丝加热的加热体。转简在转动过程中使喷撒在其上的简在转动过程中使喷撒在其上的原料成型、加热、胀发、干燥，原料成型、加热、胀发、干燥，最后被切断成为成品。最后被切断成为成品。 装置也被用来完成在鱼、肉装置也被用来完成在鱼、肉和其他制品表面撒粉和其他制品表面撒粉(面包屑面包屑)的的加工操作。加工操作。4 4 高压静电场解冻高压静电场解

57、冻常用的解冻方法主要是通过对流、传导或常用的解冻方法主要是通过对流、传导或辐射等外部加热法辐射等外部加热法, ,低频、高频和微波等的低频、高频和微波等的介电感应内部加热法以及真空解冻等介电感应内部加热法以及真空解冻等. .实践证明实践证明,普通加热的方法深入速度慢普通加热的方法深入速度慢,易引入二易引入二次污染次污染,不利于食品本身鲜度的保持不利于食品本身鲜度的保持,颜色、重量颜色、重量或营养成分都远不及冻前水平或营养成分都远不及冻前水平;介电感应加热对介电感应加热对物料本身和操作条件有较高要求物料本身和操作条件有较高要求,内部解冻易出内部解冻易出现明显不均匀和局部过热现象现明显不均匀和局部过

58、热现象;而建立和维护真而建立和维护真空系统费用过高空系统费用过高.输出电压可调输出电压可调(015kV), 高压区的大小可随接地极高压区的大小可随接地极的左右移动而改变的左右移动而改变.温控仪使整个解冻环境温度控制温控仪使整个解冻环境温度控制在在101,温度传感器置于被冻结材料的中心温度传感器置于被冻结材料的中心,随随时检测其解冻温度变化情况时检测其解冻温度变化情况.发现对发现对300mL的冰的冰,当电场强度达到当电场强度达到24kV/m时时,可节约可节约1/5同温度下的自然解冻时间同温度下的自然解冻时间,豆豆腐和猪肉的解冻也有类似的结论腐和猪肉的解冻也有类似的结论.水果的宏观电特性用复阻抗水果的宏观电特性用复阻抗Z Z ( (或复导纳或复导纳Y Y ) ) 及复介电常数及复介电常数E E表示。表示。表明能利用电特性参数对内部有缺陷的苹果进行表明能利用电特性参数对内部有缺陷的苹果进行良好的检测良好的检测.研究发现研究发现:在水果腐烂或有损伤时相对介电常数将在水果腐烂或有损伤时相对介电常数将会明显上升。会明显上升。 苹果未腐烂损伤但随着新鲜度的苹果未腐烂损伤但随着新鲜度的下降下降, 它的自由水分随呼吸作用消耗它的