高壓電場干燥和解凍技術

隨著生活水平的提高，人們對食品質量、衛生等問題越來越關注。為了降低食品損耗，延長保存期，干燥和解凍技術成為產品加工過程中非常重要的一環，具有重要的研究意義。目前，我國食品的干燥、解凍絕大多數采用傳統的方法，但這些技術存在生產效率低而且導致產品色澤、品味和品質較差等缺點，不能滿足大眾的需求，從而導致缺乏市場競爭力。近年來興起的新型技術還存在一定的缺點。高壓電場（high voltage electric field，HVEF）技術是近年來研究較多的非加熱處理技術之一，具有傳遞快速均勻、能耗低、產熱少等優點，并能避免由于熱加工造成的多種損害。高壓電場作用于食品物料的細胞，可使細胞組織結構、細胞內的微生物、酶、水分以及營養成分等發生改變，達到殺菌、干燥、鈍酶、物質定向改性等目的。將高壓電場處理技術應用到物料干燥和解凍過程中，具有干燥和解凍時間短、營養成分損失少、降低能耗和環境保護等優勢，在食品保鮮與加工方面有著廣闊的應用前景。
2001 年，筆者有幸進入內蒙古大學攻讀碩士學位，接觸到高壓電場干燥技術，從此開始了高壓電場技術應用方面的研究，特別是在食品等物料的高壓電場干燥和解凍技術研究領域。隨著筆者對食品等物料高壓電場干燥和解凍過程的不斷深入認識，逐漸獲得了一些研究成果，先后承擔了兩項國家自然科學基金項目、三項內蒙古自然科學基金項目。在此基礎上，筆者的研究團隊在國內外期刊雜志上發表了一系列關于高壓電場干燥和解凍技術實驗結果的科研文章。
本書堅持將科學研究與推廣普及二者進行有機融合，介紹內容主要以筆者團隊近年來的科研成果為主，同時涉及一些國內外同行的最新研究進展，有較強的實用性和較寬的輻射面。高壓電場干燥和解凍技術除了涉及食品加工和機械制造等工程技術方面，還與物理、化學、食品、機械、環境、電子和農業等學科有密切的關系，屬于多學科交叉領域，正處于深入發展的階段，有許多科學問題還有待今后進一步研究。希望本書的內容起到拋磚引玉的作用，使更多對此感興趣的研究者加入高壓電場技術應用研究領域當中來，從而推動其進一步發展。
本書的主要內容包括：高壓電場干燥基礎研究；預處理技術在高壓電場干燥中的應用；高壓電場干燥結合熱風干燥技術的研究；高壓電場解凍技術研究。本書由丁昌江和宋智青著。在撰寫內容過程中，綜合了碩士研究生楊茂生、倪家寶、張亞明、曹志遠等的實驗結果，在此對他們為本書所做的貢獻表示誠摯感謝。此外，對于所有參與、支持、資助出版本書的個人和單位表示衷心的感謝。
由于筆者水平有限，雖然對本書中的內容多次核對，但仍有許多不足之處，懇請讀者和有關同行專家批評指正。

著者
2022年8月

丁昌江，理學博士，內蒙古工業大學理學院物理系教授，碩士生導師。在國內外期刊雜志上發表科研論文 50多篇，其中 SCI檢索 20余篇；參編專著 2 部，參與申請并獲批專利 5 項。主持過國家自然基金項目兩項，內蒙古自然基金項目兩項；參與國家、自治區項目多項。應邀擔任10余個國際SCI刊物的審稿人。

本書是作者在多年教學、科研工作經驗與成果的基礎上，參考國內外文獻資料，經總結、提煉加工而成。全書分為6 章，重點介紹了高壓電場干燥和解凍技術及其在部分食品領域中的試驗研究。具體包括：緒論、高壓電場干燥基礎研究、預處理技術在高壓電場干燥中的應用、高壓電場干燥結合熱風干燥、高壓電場解凍技術、應用前景和研究展望。
本書可作為科研院所和高校等離子體物理和高壓電場技術應用專業方向的教師、本科生和研究生的參考用書，也可供高壓電場干燥與解凍領域的專業研究人員和技術人員閱讀參考。

第1章 緒論
1.1　干燥技術簡介  2
1.2　靜電技術簡介  6
1.3　脈沖電場技術的發展  7
1.4　高壓電場干燥技術研究現狀  9
1.5　高壓電場解凍技術研究現狀  13

第2章 高壓電場干燥基礎研究
2.1　高壓電場干燥的原理  18
2.1.1　高壓電場的性質  18
2.1.2　含水物料的性質  19
2.1.3　相互作用  22
2.1.4　“電場能傳質”的概念  45
2.2　高壓電場干燥特性的主要影響因素  45
2.2.1　干燥特性與電壓的關系  45
2.2.2　干燥特性與極距、物料形狀的關系  55
2.2.3　干燥特性與電極形狀的關系  58
2.3　高壓電場干燥過程中的數學模擬  75
2.4　高壓電場干燥技術特性  86

第3章 預處理技術在高壓電場干燥中的應用
3.1　超聲波預處理對高壓電場中枸杞干燥特性的影響  90
3.1.1　超聲波預處理系統和預處理條件  91
3.1.2　對枸杞含水率比的影響  92
3.1.3　對枸杞干燥速率的影響  93
3.1.4　對枸杞復水率的影響  95
3.1.5　對枸杞收縮率的影響  97
3.1.6　對枸杞內部有效水分擴散系數的影響  99
3.1.7　對單位能耗的影響  100
3.1.8　枸杞紅外光譜分析  102
3.1.9　枸杞微觀結構分析  104
3.1.10　結論  107
3.2　預處理方法對高壓電場中枸杞干燥特性的影響  107
3.2.1　預處理方法簡介  108
3.2.2　對枸杞含水率比的影響  109
3.2.3　對枸杞干燥速率的影響  110
3.2.4　對枸杞復水率的影響  111
3.2.5　對枸杞收縮率的影響  111
3.2.6　對枸杞內部有效水分擴散系數的影響  112
3.2.7　對單位能耗的影響  113
3.2.8　枸杞紅外光譜分析  113
3.2.9　枸杞微觀結構分析  116
3.2.10　結論  118
3.3　超聲波預處理功率對高壓電場中馬鈴薯干燥特性的影響  118
3.3.1　預處理條件  119
3.3.2　對馬鈴薯含水率比的影響  119
3.3.3　對馬鈴薯干燥速率的影響  120
3.3.4　對馬鈴薯復水率的影響  121
3.3.5　對馬鈴薯收縮率的影響  122
3.3.6　對馬鈴薯色澤的影響  123
3.3.7　對馬鈴薯有效水分擴散系數的影響  124
3.3.8　對馬鈴薯紅外光譜的影響  125
3.3.9　對馬鈴薯微觀結構的影響  126
3.3.10　對馬鈴薯蛋白質二級結構的影響  127
3.3.11　對馬鈴薯干燥數學模型的影響  128
3.3.12　相關系數結果分析  130
3.3.13　結論  132
3.4　超聲波預處理時間和溫度對高壓電場中馬鈴薯干燥特性的影響  132
3.4.1　預處理條件  132
3.4.2　對馬鈴薯含水率比的影響  133
3.4.3　對馬鈴薯干燥速率的影響  134
3.4.4　對馬鈴薯復水率的影響  135
3.4.5　對馬鈴薯色澤的影響  136
3.4.6　對馬鈴薯還原性糖的影響  137
3.4.7　對馬鈴薯有效水分擴散系數的影響  139
3.4.8　對馬鈴薯紅外光譜的影響  139
3.4.9　對馬鈴薯蛋白質二級結構的影響  141
3.4.10　對馬鈴薯微觀結構的影響  142
3.4.11　結論  144

第4章 高壓電場干燥結合熱風干燥
4.1　高壓電場分段結合熱風干燥枸杞的實驗條件  147
4.2　高壓電場分段結合熱風干燥枸杞的干燥特性  147
4.2.1　枸杞含水率比的變化  147
4.2.2　枸杞干燥速率的變化  148
4.2.3　枸杞復水率的變化  149
4.2.4　枸杞收縮率的變化  150
4.2.5　枸杞多糖和黃酮含量的變化  150
4.2.6　枸杞內部有效水分擴散系數的變化  151
4.2.7　單位能耗的變化  152
4.2.8　枸杞紅外光譜分析  153
4.2.9　枸杞微觀結構分析  154
4.3　結論  156

第5章 高壓電場解凍技術
5.1　高壓電場中凍豆腐的解凍特性  158
5.1.1　解凍條件  158
5.1.2　解凍時間和解凍速率  158
5.1.3　解凍過程中豆腐內部的溫度  161
5.1.4　豆腐損失率  164
5.1.5　結論  166
5.2　電壓和極距對牛肉解凍特性的影響  166
5.2.1　解凍裝置和解凍條件  167
5.2.2　解凍過程中牛肉內部的溫度  168
5.2.3　牛肉損失率  171
5.2.4　持水性分析  173
5.2.5　牛肉顏色  174
5.2.6　牛肉微觀結構分析  176
5.2.7　結論  177
5.3　針間距對牛肉解凍特性的影響  177
5.3.1　解凍條件  177
5.3.2　解凍曲線、解凍時間和解凍速率  178
5.3.3　牛肉損失率  180
5.3.4　牛肉顏色  181
5.3.5　牛肉紅外光譜分析  182
5.3.6　蛋白質二級結構分析  184
5.3.7　結論  188
5.4　利用響應面法研究高壓電場解凍牛肉的參數條件  188
5.4.1　解凍條件  188
5.4.2　解凍時間和解凍速率  190
5.4.3　汁液損失率  192
5.4.4　離心損失率  196
5.4.5　響應面模型診斷  198
5.4.6　結論  200
5.5　介質阻擋放電條件下牛肉的解凍特性  202
5.5.1　解凍裝置和解凍實驗條件  203
5.5.2　離子風和放電現象分析  204
5.5.3　解凍時間和解凍速率  206
5.5.4　牛肉損失率  207
5.5.5　牛肉顏色  208
5.5.6　牛肉微觀結構分析  209
5.5.7　牛肉紅外光譜分析  210
5.5.8　蛋白質二級結構分析  212
5.5.9　結論  215

第6章 應用前景和研究展望
6.1　高壓電場干燥技術  218
6.2　高壓電場解凍技術  220

參考文獻