一种基于磁阱的程控弱电解质浸渍功能食品的加工方法，属于食品科学、电、磁复合技术领域。本发明所用装备有（A）驱动单元：任意函数信号发生器、功率放大器；（B）感应单元：环形铁芯、铜线圈绕组、铂金硅胶管；（C）浸渍单元：包括浸渍槽、密封盖、真空泵；（D）磁阱单元：位于浸渍槽外的环形磁瓦径向磁场阵列。通过函数信号发生器生成特定的周期函数信号，经功率放大器放大后，激励环形铁芯上的铜线圈绕组，并在环形铁芯中产生变化的磁通，进而引发铁芯外层缠绕的且中心充满弱电解质浸渍液的7段硅胶管绕组产生感应电动势，在感应电动势的驱动下，整个浸渍液回路体系中的正负离子定向移动且受径向磁场的洛伦兹力影响在限制区域运动，迅速完成对食品的浸渍加工。
1.一种基于磁阱的程控弱电解质浸渍功能食品的加工方法，其特征在于所用装备有（A）驱动单元：包括任意函数信号发生器（1）、功率放大器（2），函数信号发生器与功率放大器连接；（B）感应单元：包括铜线圈绕组（3）、环形铁芯（4）、7段食品级铂金硅胶管；环形铁芯上绕有铜线圈绕组，铜线圈绕组的外侧缠绕有7段食品级铂金硅胶管，铜线圈绕组连接功率放大器；（C）浸渍单元：包括浸渍槽（5）、密封盖、真空泵（7），浸渍槽上方留有连通真空泵的抽真空的阀门和进样取样的密封盖，浸渍槽内放置弱电解质浸渍液和食品，浸渍槽置于磁阱的磁场阵列a、b、c、d内；充满弱电解质浸渍溶液的食品级铂金硅胶管绕组缠绕在铜线圈绕组的外侧，食品级铂金硅胶管绕组为单层绕线其匝数范围为10~25圈；在环型铁芯圆周上均匀分布7个食品级铂金硅胶管绕组，引出14条硅胶管路接口，根据右手定则判断出各个硅胶管绕组管路中感应离子电流方向，电流方向一致的管路接头都均匀分布并连接在物料浸渍槽同一侧的导通口上，每侧连接7条管路，保证每个硅胶管绕组的两端与浸渍槽相接连通，使浸渍液呈循环的回路体系；（D）磁阱单元：磁阱（6）为位于浸渍槽外的环形磁瓦径向磁场阵列a、b、c、d；通过函数信号发生器生成特定的周期函数信号，经功率放大器放大后，激励环形铁芯上的铜线圈绕组，其中放大电压信号失真率≦0.1%，于是在环形铁芯中产生变化的磁通，进而引发环形铁芯外层缠绕的且中心充满弱电解质浸渍液的7段铂金硅胶绕组管路中产生感应电动势，在感应电动势的驱动下，整个浸渍液回路体系中的正负离子定向移动且受径向磁场的洛伦兹力影响，在限制区域运动；由于感应电动势的变化规律不同，离子受到不同方向上的交变电场力大小和持续时间有异，选择适当的函数波形来达到良好的正负离子驱动效果，实现对食材的快速渗透。
2.根据权利要求1所述的基于磁阱的程控弱电解质浸渍功能食品的加工方法，其特征在于，驱动单元中所使用的函数信号发生器生成频率50Hz~100Hz的任意自定义波形，1个周期内信号具有3个上升沿，1个下降沿，下降沿的斜率大于上升沿的斜率，幅宽范围8Vpp之内，＋4V～－4V,输出阻抗50Ω；功率放大器可兼容任意函数波形的放大，全功率频率范围50Hz~100Hz，输出电压幅宽400Vpp，＋200V～－200V，输出电流0~40mA，输入阻抗
3.根据权利要求1所述的基于磁阱的程控弱电解质浸渍功能食品的加工方法，其特征在于，感应单元中的环形铁芯为硅钢O型铁芯，铜线圈绕组为单层绕线，铜线直径范围
0.4~0.8mm，匝数120~240圈，与功率放大器连接。
4.根据权利要求1所述的基于磁阱的程控弱电解质浸渍功能食品的加工方法，其特征在于，充满弱电解质浸渍溶液的食品级铂金硅胶管绕组缠绕在铜线圈绕组的外侧，其材料为绝缘性好、柔韧性佳、无毒无味的食品级铂金硅胶管，内径范围2~4mm，管壁厚度3mm，食品级铂金硅胶管绕组为单层绕线其匝数范围为10~25圈；在O型铁芯圆周上均匀分布7个食品级铂金硅胶管绕组，引出14条硅胶管路接口，根据右手定则判断出各个绕组管路中感应离子电流方向，电流方向一致的管路接头都均匀分布并连接在物料浸渍槽同一侧的导通口上，每侧连接7条管路，保证每个硅胶管绕组的两端与浸渍槽相接连通，使浸渍液呈循环的回路体系。
5.根据权利要求1所述的基于磁阱的程控弱电解质浸渍功能食品的加工方法，其特征在于，浸渍单元中浸渍槽为圆柱形结构内径100mm，长度600mm，壁厚3mm，上方留有连通真空泵的抽真空的阀门和进样取样密封盖，浸渍槽腔体两侧每侧均匀分布有7个导通口，与硅胶管连接，使其整个弱电解质浸渍液体系成循环回路，周期函数波形发出时，浸渍液的电导率在0.1~15mS/cm范围，变化的磁通在浸渍槽两端生成20mV~750mV的交变感应电动势。
6.根据权利要求1所述的基于磁阱的程控弱电解质浸渍功能食品的加工方法，其特征在于，磁阱单元为位于浸渍槽腔体外的4对半圆磁瓦组成的径向磁场阵列，相邻的每对环形磁瓦中心磁力线角度相差90度，每对环形磁瓦异极相对，磁力线N极指向S极，每块半圆磁瓦尺寸为内径120mm，外径135mm，厚15mm，长100mm，磁瓦中心表面磁场3000Gs，每对磁瓦组成的径向磁场的中心强度400Gs。
一种基于磁阱的程控弱电解质浸渍功能食品的加工方法
技术领域
[0001] 一种基于磁阱的程控弱电解质浸渍功能食品的加工方法，涉及一种新型食品浸渍加工技术，针对的浸渍液属于共价化合物的弱电解质类，属于食品科学、电学、磁动力学的复合技术领域。本发明可在较快的时间内完成对食材的浸渍处理，能实现的功能性浸渍处理包括功能成分强化、增香调味和抗褐变。
背景技术
[0002] 传统浸渍食品按工艺不同包括四大类，即盐渍、酱渍、糖醋渍和酸泡渍。浸渍食品行业的商品种类繁多，其中有泡白菜、泡黄瓜、泡姜、泡椒猪皮、盐水蛋和泡山椒等。目前流行的真空浸渍技术是利用往复压力差引起的流体动力学机理和变形松弛现象来提高浸渍速率。针对不同的食品材料通常可在数十分钟内完成食品的浸渍处理，常用于功能食品的开发，可完成营养矿物质的强化、益生菌富集、食品表面着色。真空浸渍与常压浸渍处理相比，操作和加工时间大为缩短。
[0003] 浸渍处理过程一般缓慢，细胞质外的细胞膜与浸渍液环境构成一个渗透体系。溶液体系的渗透压大于食材细胞的渗透压，细胞液的水分向外渗透。环境溶液中各类离子和分子渗透到食品组织空隙以及细胞中，食品逐渐产生良好的风味。为了加快浸渍处理一般可以采取以下手段：1、提高溶质浓度，2、提高环境温度，3、改变环境压力。提高溶质浓度容易使产品过咸，品质不易控制，需多次脱盐才可达到品质要求。提高环境温度容易造成有害微生物滋生而酸败变质，所以一般腌渍都在低于20℃下进行。故改变环境压力来提高浸渍速率是目前常运用的手段。
[0004] 电解质可分为强电解质和弱电解质，强电解质在溶液中能完全电离成阴阳离子，多为金属离子化合物。弱电解质电离不完全，多为共价化合物，但电离水平可通过pH缓冲液改变，电解质溶液的导电能力与离子浓度有关。电流按形式可分为电子电流和离子电流，它们都是电子或离子在介质中的大规模定向移动而产生。电解质溶液中由于含有大量的带电离子，在通电极板产生的电势差环境中会发生定向迁移。
[0005] 在充满电解质溶液的塑料管绕组中引入变化的磁通量可产生感应电动势，造成溶液回路体系中的离子迁移。通过调整线圈绕组中激励电流波形来改变磁通量变化率，故产生不同规律的感应电动势，而达到不同的离子驱动效果。根据电场中带电离子的运动，推动带电离子运动的力（F）等于离子所带净电荷量（Q）与电场强度（X）的乘积，即F＝QX。由于磁通变化率不同，则产生的交变感应电动势在正负方向的峰值不同，即离子在不同方向受到的电场力大小和持续时间不同。离子的迁移同样要受到阻力（ f ）的影响，对于类球形离子，服从斯托克斯定律，即：f ＝6πrην（r为离子质点半径，η为溶液介质粘滞系数，ν为离子移动速度），在同一体系中，此阻力不变。
[0006] 带电粒子在磁场中当其运动方向切割磁力线时会受到洛伦兹力的作用，使其轨迹发生偏转。运用该原理设计的磁阱可对运动的带电粒子进行约束，粒子作螺旋运动，将其范围限制。根据磁场与运动粒子的方向，可分为轴向磁场-即磁场方向与运动方向一致，径向磁场-即磁场方向与粒子运动方向垂直。
发明内容
[0007] 本发明目的是提供一种基于磁阱的程控弱电解质浸渍功能食品的加工方法，涉及一种新型食品浸渍加工技术，技术原理是通过函数信号发生器生成特定的周期函数信号，经功率放大器放大后，激励环形铁芯上的铜制线圈绕组，其中放大电压信号失真率≦0.1%，在环形铁芯中产生变化的磁通，进而引发互感铁芯外层缠绕的且中心充满弱电解质浸渍液的7段硅胶绕组管路中产生感应电动势。在感应电动势的驱动下，整个浸渍液回路体系中的正负离子定向移动且受径向磁场的洛伦兹力影响，在限制区域运动。由于感应电动势的变化规律不同，离子受到的“正向”和“负向”的交变电场力大小和持续时间有异，故选择适当的函数波形来达到良好的浸渍效果。
[0008] 本发明的技术方案：一种基于磁阱的程控弱电解质浸渍功能食品的加工方法，本发明所用技术装备有（A）驱动单元：包括任意函数信号发生器1、功率放大器2，函数信号发生器与功率放大器连接；（B）感应单元：包括铜线圈绕组3、环形铁芯4、7段食品级铂金硅胶管，环形铁芯上绕有铜线圈绕组，铜线圈绕组的外侧缠绕有7段食品级铂金硅胶管，铜线圈绕组连接功率放大器；（C）浸渍单元：包括浸渍槽5、密封盖、真空泵7，浸渍槽上方留有连通真空泵的可抽真空的阀门和可进样取样的密封盖，浸渍槽内放置弱电解质浸渍液和食品，浸渍槽置于磁阱的磁场阵列a、b、c、d内；充满弱电解质浸渍溶液的食品级铂金硅胶管绕组缠绕在铜线圈绕组的外侧，食品级铂金硅胶管绕组为单层绕线其匝数范围为10~25圈；在环型铁芯圆周上均匀分布7个食品级铂金硅胶管绕组，引出14条硅胶管路接口，根据右手定则判断出各个硅胶管绕组管路中感应离子电流方向，电流方向一致的管路接头都均匀分布并连接在物料浸渍槽腔体同一侧的导通口上，每侧可连接7条管路，保证每个硅胶管绕组的两端与浸渍槽相接连通，使浸渍液呈循环的回路体系；（D）磁阱单元：磁阱6为位于浸渍槽外的环形磁瓦径向磁场阵列a、b、c、d，技术原理示意图如图1，图2所示。
[0009] 通过函数信号发生器生成特定的周期函数信号，经功率放大器放大后，激励环形铁芯上的铜线圈绕组，其中放大电压信号失真率≦0.1%，于是在环形铁芯中产生变化的磁通，进而引发环形铁芯外层缠绕的且中心充满弱电解质浸渍液的7段铂金硅胶绕组管路中产生感应电动势，在感应电动势的驱动下，整个浸渍液回路体系中的正负离子定向移动且受径向磁场的洛伦兹力影响，在限制区域运动；由于感应电动势的变化规律不同，离子受到不同方向上的交变电场力大小和持续时间有异，波形示例如图3，选择适当的函数波形来达到良好的正负离子驱动效果，实现对食材的快速渗透。
[0010] 驱动单元中所使用的函数信号发生器可生成频率50Hz~100Hz的任意自定义波形，1个周期内信号具有3个上升沿，1个下降沿，下降沿的斜率大于上升沿的斜率，幅宽范围8Vpp（±4V）之内，输出阻抗50Ω；功率放大器可兼容任意函数波形的放大，全功率频率范围50Hz~100Hz，输出电压幅宽400Vpp（±200V），输出电流0~40mA，输入阻抗50Ω。
[0011] 感应单元中的环形铁芯为硅钢O型铁芯，铜线圈绕组为单层绕线，铜线直径范围0.4~0.8mm，匝数120~240圈，与功率放大器连接。
[0012] 充满弱电解质浸渍溶液的食品级铂金硅胶管绕组缠绕在铜线圈绕组的外侧，其材料为绝缘性好、柔韧性佳、无毒无味的食品级铂金硅胶管，内径范围2~4mm，管壁厚度3mm，塑料管绕组为单层绕线其匝数范围为10~25圈；在O型铁芯圆周上均匀分布7个食品级铂金硅胶管绕组，引出14条硅胶管路接口，根据右手定则判断出各个绕组管路中感应离子电流方向，电流方向一致的管路接头都均匀分布并连接在物料浸渍槽腔体同一侧的导通口上，每侧可连接7条管路，保证每个硅胶管绕组的两端与浸渍槽相接连通，使浸渍液呈循环的回路体系。
[0013] 浸渍单元中玻璃浸渍槽为圆柱形结构内径100mm，长度600mm，壁厚3mm，上方留有连通真空泵的可抽真空的阀门和可进样取样的密封盖，浸渍槽腔体两侧每侧均匀分布有7个导通口，可与硅胶管连接，使其整个弱电解液体系成循环回路，当周期函数波形发出时，若此时浸渍液的电导率在0.1~15mS/cm范围时，则变化的磁通可在浸渍槽两端生成20mV~750mV的交变感应电动势。感应电动势可通过在浸渍槽两端插入铂片电极由交流伏特计检得，铂片电极尺寸5mm×5mm×0.15mm。
[0014] 磁阱单元为位于浸渍槽腔体外的4对半圆磁瓦组成的径向磁场阵列，相邻的每对环形磁瓦中心磁力线角度相差90度，每对环形磁瓦异极相对，磁力线N极指向S极，每块半圆磁瓦尺寸为内径120mm，外径135mm，厚15mm，长100mm，磁瓦中心表面磁场3000Gs，每对磁瓦组成的径向磁场的中心强度400Gs。
[0015] 本发明的有益效果：本发明可快速完成对食材的浸渍加工，可实现功能成分加强、抗褐变和增香调味加工。浸渍液需属于弱电解质的共价化合物。若为弱电解质溶液则浓度在0.01%~6%以及电导率在0.1~15mS/cm范围适宜。对于需要浸渍处理的食材，当厚度在3cm以内时，均可在10min的时间内完成浸渍，即稳定后食材内外环境溶质的体积浓度基本一致。若溶液浓度过高，则感应离子电流密度过高，造成浸渍液体系产生对流或湍流，则不利于浸渍。
附图说明
[0016] 图1 一种基于磁阱的程控弱电解质浸渍功能食品的加工方法的原理示意图。1、任意函数信号发生器，2、功率放大器，3、铜线圈绕组，4、环形铁芯，5、浸渍槽，6、磁阱，7、真空泵。
[0017] 图2磁阱磁力线切面示意图。
[0018] 图3 激励电流变化与感应电动势示意图。
[0019] 图4 土豆抗褐变浸渍函数信号波形图。
[0020] 图5 猪皮浸渍增香的函数信号波形图。
[0021] 图6 谷氨酸强化胡萝卜浸渍的函数信号波形图。
具体实施方式
[0022] 实施例1：土豆片快速抗褐变浸渍
[0023] 土豆削皮后切成厚度3mm的片状，置于浸渍槽中。槽的腔体尺寸为内径100mm，长度600mm，壁厚3mm。位于浸渍槽腔体外有4对半圆磁瓦组成的径向磁场阵列，相邻的每对环形磁瓦中心磁力线角度相差90度，每对环形磁瓦异极相对，磁力线N极指向S极，每块半圆磁瓦尺寸为内径120mm，外径135mm，厚15mm，长100mm，磁瓦中心表面磁场3000Gs，每对磁瓦组成的径向磁场的中心强度400Gs。注入浸渍液，其抗坏血酸和柠檬酸的含量分别为0.08%和0.5%，直到浸没样品，此时采用梅特勒-托利多FE30电导率仪测得浸渍溶液电导率为8ms/cm。浸渍槽密封后开启真空泵抽真空直到溶液充满硅胶管路，体系中的溶液成回路状态。其中硅胶管材料为绝缘性好、柔韧性佳、无毒无味的食品级铂金硅胶管，内径4mm，管壁厚度3mm，7个硅胶管绕组均匀缠绕在O形硅钢铁芯上，铁芯内径20cm，外径23cm，高度
2cm，每个硅胶管绕组为单层绕线，匝数20圈，绕在铁芯的线圈绕组外侧。7个绕组引出14条硅胶管路接头，硅胶管绕组方向是根据右手定则判断，保证管路中感应离子电流方向一致，接头均匀分布并连接在物料浸渍腔体同侧的导通口上，保证与浸渍槽相接连通。此后由普源DG1022型函数信号发生器生成特定波形的周期函数信号，1个周期内信号具有3个上升沿，1个下降沿，下降沿的斜率大于上升沿的斜率，波形图如图4所示，周期14ms，t0=0s，t1=1ms，t2=3ms，t3=4ms，t4=6ms，t5=7ms，t6= 9ms，t7=11ms，t8=14ms，V1=6V，V2=4V，V3=2V，其波形幅宽Vpp=6V，电压信号再通过美国TEGAM牌型号为2350的功率放大器放大10倍，以此激励在O型铁芯上的线圈绕组，线圈绕组为单层绕线，铜线直径0.8mm，匝数210圈，此时体系的感应电动势为210mV。启动10min后取出土豆片，即达到浸渍要求。此时通过感观评价并与常压浸泡同样时间的土豆片相比，本法处理的土豆片在空气中的色泽维持时间更久。
[0024] 实施例2：猪皮增香
[0025] 2-甲基己酸可溶于水，具有猪油、鸡味脂肪的油腻气息，本例为复水炸猪皮的增香。称取干猪皮300克，浸泡复水后，切成1×1×5cm条状，置于浸渍槽中。槽的腔体尺寸为内径100mm，长度600mm，壁厚3mm。位于浸渍槽腔体外有4对半圆磁瓦组成的径向磁场阵列，相邻的每对环形磁瓦中心磁力线角度相差90度，每对环形磁瓦异极相对，磁力线N极指向S极，每块半圆磁瓦尺寸为内径120mm，外径135mm，厚15mm，长100mm，磁瓦中心表面磁场3000Gs，每对磁瓦组成的径向磁场的中心强度400Gs。注入质量分数3mg/kg浓度的2-甲基己酸浸渍液直到浸没样品，此时采用梅特勒-托利多FE30电导率仪测得浸渍溶液电导率为3ms/cm。浸渍槽密封后开启真空泵抽真空直到溶液充满硅胶管路，体系中的溶液成回路状态。其中硅胶管材料为绝缘性好、柔韧性佳、无毒无味的食品级铂金硅胶管，内径3mm，管壁厚度3mm，7个硅胶管绕组均匀缠绕在O形硅钢铁芯上，铁芯内径20cm，外径23cm，高度
2cm，每个硅胶管绕组为单层绕线，匝数15圈，绕在铁芯的线圈绕组外侧。7个绕组引出14条硅胶管路接头，硅胶管绕组方向是根据右手定则判断，保证管路中感应离子电流方向一致，接头均匀分布并连接在物料浸渍腔体同侧的导通口上，保证与浸渍槽相接连通。此后由普源DG1022型函数信号发生器生成特定波形的周期函数信号，1个周期内信号具有3个上升沿，1个下降沿，下降沿的斜率大于上升沿的斜率，波形图如图5所示，周期19ms，t0=0s，t1=1.5ms，t2=3.5ms，t3=5ms，t4=7ms，t5=8.5ms，t6=10.5ms，t7=15ms，t8=19ms，V1=6V，V2=4V，V3=2V，其波形幅宽Vpp=6V，电压信号再通过美国TEGAM牌型号为2350的功率放大器放大10倍，以此激励在O型铁芯上的线圈绕组，铜制绕组为单层绕线，铜线直径0.6mm，匝数220圈，此时体系的感应电动势为64mV。启动8min后取出猪皮，即达到浸渍要求。此时通过感观评价并与常压浸泡同样时间的猪皮相比，本法处理的猪皮可嗅到明显的猪油香气且更持久。
[0026] 实施例3：谷氨酸强化胡萝卜
[0027] L-谷氨酸常作为食品营养增补剂添加于液体食品或者需要粉碎重组的食品，本例所选食材为半湿固态。称取新鲜胡萝卜800克，削皮洗净后切成2×2×2cm块状，置于浸渍槽中。槽的腔体尺寸为内径100mm，长度600mm，壁厚3mm。
[0028] 位于浸渍槽腔体外有4对半圆磁瓦组成的径向磁场阵列，相邻的每对环形磁瓦中心磁力线角度相差90度，每对环形磁瓦异极相对，磁力线N极指向S极，每块半圆磁瓦尺寸为内径120mm，外径135mm，厚15mm，长100mm，磁瓦中心表面磁场3000Gs，每对磁瓦组成的径向磁场的中心强度400Gs。注入质量分数150mg/kg浓度的食品级L-谷氨酸浸渍液直到浸没样品，此时采用梅特勒-托利多FE30电导率仪测得浸渍溶液电导率为5mS/cm。浸渍槽密封后开启真空泵抽真空直到溶液充满硅胶管路，体系中的溶液成回路状态。其中硅胶管材料为绝缘性好、柔韧性佳、无毒无味的食品级铂金硅胶管，铁芯内径2mm，管壁厚度1mm，7个硅胶管绕组均匀缠绕在O形硅钢铁芯上，铁芯内径18cm，外径21cm，高度2cm，每个硅胶管绕组为单层绕线，匝数18圈，绕在铁芯的线圈绕组外侧。7个绕组引出14条硅胶管路接头，硅胶管绕组方向是根据右手定则判断，保证管路中感应离子电流方向一致，接头均匀分布并连接在物料浸渍腔体同侧的导通口上，保证与浸渍槽相接连通。此后由普源DG1022型函数信号发生器生成特定波形的周期函数信号，1个周期内信号具有3个上升沿，1个下降沿，下降沿的斜率大于上升沿的斜率，波形图如图6所示，周期15ms，t0=0s，t1=1ms，t2=3ms，t3=4ms，t4=6ms，t5=7ms，t6=9ms，t7=11ms，t8=15ms，V1=7.5V，V2=5V，V3=2.5V，其波形幅宽Vpp=7.5V，电压信号再通过美国TEGAM牌型号为2350的功率放大器放大10倍，以此激励在O型铁芯上的线圈绕组，铜制绕组为单层绕线，铜线直径0.6mm，匝数200圈，此时体系的感应电动势为81mV。启动5min后取出胡萝卜，即达到浸渍要求，此时胡萝卜L-谷氨酸含量为120mg/kg，而未处理前的L-谷氨酸含量为9mg/kg，谷氨酸含量测定采用华勃氏呼吸仪微量检压法。
