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激光靜電在食品與發(fā)酵工業(yè)中的應(yīng)用畢業(yè)論文(參考版)

2025-06-30 21:45本頁(yè)面
  

【正文】 激光是顏色最純,色彩最鮮艷的光。激光只有一種或幾種波長(zhǎng),其波長(zhǎng)變化范圍極窄[4]。 單色性好(光譜純)普通光源發(fā)出的光包含著各種波長(zhǎng),是各種顏色光的混合。激光的發(fā)散角一般在毫弧度數(shù)量級(jí),比探照燈光的發(fā)散角小 10 倍,比微波小約 100 倍。 方向性好(發(fā)散角?。? 從光源發(fā)出的激光不發(fā)散而平行傳播的程度稱為方向性,激光束的方向性用光束的發(fā)散角 θ 來(lái)表示,它是第一條最小的衍射線與光軸之間的夾角。光學(xué)諧振腔主要有兩方面的作用,其一是提供光學(xué)反饋能力,使受激輻射的光線在其中反復(fù)的振蕩和多次放大;其二是對(duì)起振的光子狀態(tài)或特征進(jìn)行限制,主要表現(xiàn)為對(duì)振蕩光子方向和頻率的限制,因?yàn)橹挥信c諧振腔光軸(兩鏡面的公法線)平行或成很小的角度行進(jìn)的光子,才能在腔內(nèi)往返足夠多的次數(shù)而形成持續(xù)振蕩,造成光連鎖放大;諧振腔腔長(zhǎng)有一定的尺寸,所以只有確定波長(zhǎng)或頻率的光才能滿足干涉共振條件,形成有效的振蕩。激光工作物質(zhì)可以是固體(例如紅寶石晶體、釹玻璃、摻釹釔鋁石榴工石晶體等) ,氣體(例如按一定比例混合的氦和氖的混合氣體,二氧化碳?xì)怏w) ,也可以是半導(dǎo)體、液體(有機(jī)或無(wú)機(jī)液體) (2)激勵(lì)裝置 (又稱光泵) 既能使激活介質(zhì)發(fā)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的能源,如各種激光器的電源,及相關(guān)的裝置,如閃光燈等。對(duì)某一具體激光器來(lái)說(shuō),由于激光工作物質(zhì)的能級(jí)結(jié)構(gòu)的不同,產(chǎn)生激光的過(guò)程有略有區(qū)別。 受激輻射發(fā)射的光子在光學(xué)諧振腔(即激光工作物質(zhì)兩端相對(duì)放置的兩塊反射鏡)來(lái)回振蕩并不斷放大;當(dāng)增益大于各種消耗時(shí),就能在諧振腔的輸出端輸出激光。這種過(guò)程稱為受激輻射,此時(shí)外來(lái)光得到了加強(qiáng),這就是光放大。若此時(shí)受到能量為 ε=h 圖 激光的產(chǎn)生 由于粒子內(nèi)部結(jié)構(gòu)的特殊性,它們?cè)诟鱾€(gè)能級(jí)上的平均壽命是不一樣的,有的長(zhǎng)些,有的短些,但是有些粒子在某個(gè)或某些高能級(jí)上都有相對(duì)比較長(zhǎng)的平均壽命,這些平均壽命較長(zhǎng)的高能級(jí)稱為亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)。這種處于高能級(jí)的粒子在不受外界的影響下,自發(fā)的躍遷(無(wú)輻射躍遷)到低能級(jí)的發(fā)光過(guò)程稱為自發(fā)輻射。光子頻率 ν=(Em-En )/h,其中 Em,En 分別代表能級(jí) m 和能級(jí) n 的能量,h 為普朗克常數(shù),h=。處于越高的激發(fā)能級(jí)的粒子越少,這稱為粒子能級(jí)的玻耳茲曼熱平衡分布(正常分布) 。 激光是怎樣產(chǎn)生的?眾所周知,任何物質(zhì)中的原子、離子、分子按其所具有的內(nèi)能不同,分布在一系列不連續(xù)的能級(jí)上,即不同能量值的軌道上(圖 ) 。我國(guó)長(zhǎng)春光機(jī)所也在 1961 年研制成功第一臺(tái)紅寶石激光器。我國(guó)著名科學(xué)家錢學(xué)森把它取名為激光。 光電聲磁用于(1)提?。ㄝ腿。?,粉碎(2)均質(zhì),乳化(3)脫水,干燥(4)分離,過(guò)濾,凝聚,沉淀(5)酶的活化與鈍化(6)誘變,基因轉(zhuǎn)移,細(xì)胞融合(7)殺菌,消毒(8)酒、醋的醇化(催陳處理)(9)食品組份質(zhì)量,微觀結(jié)構(gòu),特征參數(shù)及缺陷分析與檢測(cè)等等2 激光的產(chǎn)生及特性 激光的產(chǎn)生 激光俗稱“ 神光”“死光”“魔光” 。 國(guó)內(nèi)外食品和發(fā)酵行業(yè)在這方面的研究工作非?;钴S,而且成就非凡。它比傳統(tǒng)的食品加工和處理方法具有無(wú)以比擬的優(yōu)越性、先進(jìn)性和可開發(fā)性,故受到國(guó)內(nèi),外食品和發(fā)酵行業(yè)的極大關(guān)注,被確定為 21 世紀(jì)食品行業(yè)主攻方向和大力推廣的高新技術(shù)之一。它們有一個(gè)最佳的組合,才能取得最佳的殺菌效果和最高的殺菌生產(chǎn)率。 對(duì)激光殺菌而言,被殺菌物質(zhì)的吸收帶,對(duì)激光的吸收和反射特性,它的顏色、透明度以及所含雜質(zhì)的種類、大小和特性,也會(huì)大大影響殺菌效果。 供能裝置(如激光器,超聲波發(fā)生器、脈沖電源、磁場(chǎng)電源等)的輸出系數(shù)及調(diào)節(jié)與控制方式,例如電壓、電流、功率、場(chǎng)強(qiáng)與能量系數(shù)、波形、頻率及處理時(shí)間(或脈沖次數(shù))等等。 超聲波殺菌時(shí),要確定超聲波及換能器的種類及數(shù)量,以及特征參數(shù)的確定,主要是功率大?。晱?qiáng))和頻率。 例如,要根據(jù)殺菌的能量閾值和生產(chǎn)(殺菌效率)決定下列參數(shù); 激光器的種類、數(shù)量、工作方式,特別是激光的波長(zhǎng),功率(對(duì)連續(xù)激光)或能量(對(duì)脈沖激光)的選定。有巧妙的殺菌形狀和結(jié)構(gòu),有最佳的能量引入方式和精巧的布局。②殺菌室的形狀結(jié)構(gòu)、尺寸、數(shù)量、布局以及有無(wú)攪拌、冷卻和控溫裝置等。光、電、聲、磁能量的產(chǎn)生及引入方式 主要包括:①能量的產(chǎn)生及發(fā)射裝置的類型、數(shù)量、工作方式及布局形式等。瞬變的磁通在細(xì)胞內(nèi)激起感應(yīng)電流,此感應(yīng)電流與磁場(chǎng)相互作用的力密度可破壞細(xì)胞正常的生理功能。此感應(yīng)電流越大,生物效應(yīng)越明顯。 另外生物體對(duì)于磁場(chǎng)是可透過(guò)性的,微生物細(xì)胞在磁場(chǎng)下運(yùn)動(dòng)時(shí),如果細(xì)胞所做運(yùn)動(dòng)是切割磁力線的運(yùn)動(dòng),就會(huì)導(dǎo)致其中磁通量變化并激起感應(yīng)電流。 振蕩的電磁場(chǎng)還能松弛離子和蛋白質(zhì)間的化學(xué)鍵,鍵的松弛可能影響細(xì)胞的代謝活動(dòng)而使微生物失活。另外還可能使有機(jī)體組織的電子、原子核、原子或分子產(chǎn)生激勵(lì)、振動(dòng)、離化、躍遷以及形成等離子體和活性很高的自由基,影響酶活性等引起一些非正常的生物化學(xué)變化,擾亂正常的生理活動(dòng),甚至引起生物組織的變異和損傷。生物體內(nèi)的大多數(shù)分子和原子具有極性和磁性。 高能脈沖磁場(chǎng)產(chǎn)生的化學(xué)效應(yīng)也與激光的化學(xué)效應(yīng)相似。特別是強(qiáng)激光的激勵(lì)是一場(chǎng)激烈的,會(huì)引起 DNA 分子中的某些化學(xué)鍵(例如氫鍵、核磷酸酯鍵等)斷裂,改變 DNA 分子結(jié)構(gòu),造成畸變或穿過(guò)細(xì)菌薄膜上的孔,也是殺死細(xì)菌的原因之一。例如 H2O分子及微量 O3 等都有殺菌作用。 化學(xué)效應(yīng)的殺菌效果 光、電、聲、磁與物質(zhì)相互作用時(shí),還引起化學(xué)作用,促進(jìn)化學(xué)反應(yīng),尤其是氧化還原、聚合、電化學(xué)及其它過(guò)程。 在磁場(chǎng)作用下,細(xì)胞內(nèi)的帶電粒子如電子和離子,受到洛侖茲力的影響,其運(yùn)動(dòng)軌跡常被限制在一定半徑范圍之內(nèi),磁場(chǎng)強(qiáng)度越大,這種半徑(拉默半徑)就越小。當(dāng)放電終了瞬間空穴中壓力突然降低,液體又以超聲速回填空穴形成反向沖擊波,強(qiáng)大沖擊波的來(lái)回振蕩,因此施加給不可壓縮的液體及其中物質(zhì)及物體的機(jī)械作用力是相當(dāng)大的,足以引起液體介質(zhì)中微生物細(xì)胞內(nèi)部的強(qiáng)烈振動(dòng)和細(xì)胞膜破裂等現(xiàn)象,從而產(chǎn)生殺菌效果。 脈沖放電殺菌時(shí)起主要作用的也是力學(xué)效應(yīng)引起的強(qiáng)烈沖擊波??栈菔湛s及崩潰瞬間,泡內(nèi)可呈現(xiàn) 5000℃以上的高溫及高到 109K/s 溫度變化率和幾百到上千個(gè)大氣壓的高壓,會(huì)產(chǎn)生峰值高達(dá) 108N/m2 的強(qiáng)大沖擊波。廣義地說(shuō),超聲空化是指激活氣泡或空穴的各種動(dòng)力學(xué)表現(xiàn)。 對(duì)于超聲波來(lái)說(shuō),產(chǎn)生力學(xué)效應(yīng)的另一個(gè)原因是所謂的超聲空化效應(yīng)。 它們?cè)诮橘|(zhì)中傳播時(shí),將引起傳播空間內(nèi)介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng),使它們具有交變的速度、加速度、位移、壓力、張力、切應(yīng)力(彈性的或黏滯的) 、膨脹、壓縮等。 所以高強(qiáng)度脈沖磁場(chǎng)有很好的殺菌效果,脈沖磁場(chǎng)處理不但能殺菌,還能顯著改善牛、羊、豬肉的嫩度。把一種面包卷切樣, ,一半原樣,另一半均勻混合霉菌孢子達(dá) 3000 單位/ml,裝入塑料袋并放入螺旋管,加上 416KH2 的脈沖磁場(chǎng)作用 10 次后,發(fā)現(xiàn)溫度上升了 2℃,測(cè)得酵母菌濃度為 25 單位/ml。將兩袋完全相同的用蠟紙包裝的 350g 普通 4%的酸奶酪打開一袋,接種濃度為 3500 個(gè)/ml的酵母菌并攪勻,另一袋作為對(duì)照樣放入冰水中。 國(guó)防科大的試驗(yàn)也表明脈沖磁場(chǎng)有很好的殺菌效果,下面列舉幾條他們的試驗(yàn)結(jié)果;用牛奶一袋測(cè)得奶中菌落數(shù)為 25000 個(gè)/ml,經(jīng) 12T能避免二次污染,更能避免由于真空包裝而帶來(lái)的種種弊端和危害。 江南大學(xué)李儒荀教授設(shè)計(jì)的用脈沖磁場(chǎng)殺菌裝置—色裝物料殺菌裝置于 2022 年 12 月取得國(guó)家專利,該裝置在 1~10 個(gè)脈沖之間可在常溫下對(duì)用塑料袋,紙盒,玻璃瓶等包裝或封裝好的液體、固體物料、食品(例如啤酒、黃酒、低度曲酒、果蔬菜汁飲料、汽水、牛奶、豆奶、酸奶、蛋液以及純凈水、礦泉水;肉制品、雞、鴨、鵝等動(dòng)物;燒煮食品、榨菜、醬菜、鹵菜、中西成藥、針劑、生物制劑,醫(yī)療衛(wèi)生用具等等)進(jìn)行消毒殺菌,殺菌指標(biāo)達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),殺菌時(shí)間短,效率高,能耗低,溫升小。 高強(qiáng)度脈沖磁場(chǎng)殺菌時(shí),是把已裝(封裝或灌裝)好的物料放入先圈內(nèi)或連續(xù)通過(guò)線圈,然后在線圈內(nèi)供應(yīng)高強(qiáng)度的脈沖電流來(lái)建立強(qiáng)大的脈沖磁場(chǎng),利用磁場(chǎng)的生物效應(yīng)來(lái)殺菌。 無(wú)論是恒定磁場(chǎng)還是交變(脈沖)磁場(chǎng)都能有效地抑制某些微生物和細(xì)菌的生長(zhǎng),當(dāng)達(dá)到一定的磁場(chǎng)強(qiáng)度時(shí),還有很好的消毒殺菌效果。 工業(yè)上常用磁性物體(永久磁體)來(lái)建立恒定磁場(chǎng),用載流(直流或交流)線圈來(lái)建立恒定或交變(脈沖)磁場(chǎng)。上述反應(yīng)隨時(shí)間及溫度的增加而加大,但是進(jìn)過(guò)超聲波處理后,檸檬汁的色澤口味和其中的營(yíng)養(yǎng)成分破壞極小,取得了良好的效果。 綠茶飲料在加工過(guò)程中會(huì)發(fā)生褐變,即由最初的黃綠色逐漸變?yōu)樽睾稚?,影響外觀效果和飲料品質(zhì),但經(jīng)過(guò)超聲波處理后,不但各菌種生長(zhǎng)極少,而且茶飲料顏色穩(wěn)定,透明性好,也不褐變。超聲波消毒特點(diǎn)是速度快無(wú)外來(lái)添加物,對(duì)人體無(wú)害,對(duì)物品無(wú)損傷。 醬油是采用大豆、小麥粉、麥麩、食鹽等為原料,經(jīng)微生物發(fā)酵而得到的一種液態(tài)食品,具有營(yíng)養(yǎng)豐富、濃度高、黏度大、微生物存活總數(shù)多等特點(diǎn)。較之傳統(tǒng)高溫加熱滅菌工藝,超聲作用既不會(huì)改變食品的色香味,也不會(huì)破壞食品成分。 用超聲波殺菌時(shí)是通過(guò)換能器直接在液體物料內(nèi)建立超聲場(chǎng),或讓液體物料以一定流量流過(guò)超聲場(chǎng)。一般采用超聲波發(fā)生器把工頻(50Hz)的交流電轉(zhuǎn)變?yōu)槌曨l率(16KHz 以上)并具有一定功率的交流電,再通過(guò)一種稱為換能器的元件把高頻超聲電振蕩轉(zhuǎn)換為高頻機(jī)械振動(dòng)能來(lái)建立超聲場(chǎng)。振動(dòng)頻率在大于 16Hz 聲波稱為超聲波,它是人耳聽不到的一種聲波。我們研究表明,這個(gè)單位容積能量閾值大于 50J/ml 我們可設(shè)計(jì)的脈沖放電殺菌裝置 電壓在 220V~547V 之間,電極間隙 10~15mn 之間,同樣有很好的殺菌效果。研究表明,影響脈沖放電殺菌效果的主要因素是單位時(shí)間內(nèi)被處理物料單位容積所吸收的能量,以及供能的方式。根據(jù)物料特性的不同,這個(gè)閾值大約在 550KV/m 范圍內(nèi),電場(chǎng)強(qiáng)度越大,殺菌效果越好。 國(guó)內(nèi)外的一些研究者認(rèn)為影響脈沖放電殺菌效果的決定因素是電場(chǎng)強(qiáng)度,即是以施加電壓除電極間間距所得的值。也可以直接使用特定的高頻變壓器來(lái)獲得持續(xù)的高壓脈沖電場(chǎng)。脈沖電場(chǎng)一般是靠?jī)?chǔ)能電容器的瞬時(shí)充電和瞬時(shí)放電來(lái)建立的。李儒荀教授研制脈沖當(dāng)點(diǎn)冷殺菌裝置,2022 年 2 月獲得了國(guó)家專利。黃煒等利用高壓靜電場(chǎng)對(duì)藻類、農(nóng)產(chǎn)品、果汁、牛奶等多種食品進(jìn)行處理,結(jié)果顯示:靜電場(chǎng)能殺滅這些食品中的細(xì)菌,而且對(duì)食品中的色、香、味產(chǎn)生影響很小。 蔣耀庭等對(duì)高壓靜電場(chǎng)處理過(guò)的醬油香氣成分、氨基酸、理化指標(biāo)進(jìn)行分析。 建立靜電場(chǎng)的方法也是多種多樣,可以建立在兩個(gè)平行平板電極之間,或針一板電極之間或直徑不同的兩套裝的圓桶間隙之內(nèi)。 電場(chǎng)殺菌技術(shù) 電場(chǎng)殺菌技術(shù)有兩種方式:靜電場(chǎng)殺菌和脈沖電場(chǎng)殺菌。用 CO2 激光可殺死赤擬谷盜和小麥,裸露玉米象的成蟲。 應(yīng)用激光處理后,徹底殺死了存在糧食表面和內(nèi)部的各種細(xì)菌和病蟲,大大減少了損耗率。 全球收獲的糧食由于害蟲、微生物的危害,每年損失 18%~20%左右。 不同劑量和波長(zhǎng)的激光,可以殺死不同的細(xì)菌,病毒和各種寄生蟲,而且激光消毒殺菌效率高、速度快、效果好。 激光是一種電磁波,也是一種能量流(光子流) ,當(dāng)它作用于生物體時(shí)會(huì)產(chǎn)生一些特殊的生物效應(yīng),激光殺菌就基于這些生物效應(yīng)。這些技術(shù)正在煙具和應(yīng)用。 膜過(guò)濾除菌技術(shù)具有耗能少、在常溫下操作、適于熱敏性物料、工藝適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),其應(yīng)用前景廣闊,現(xiàn)已廣泛用于食品、生化、制藥、用水及空氣、乳品、果汁等的過(guò)濾。以壓力為推動(dòng)力的膜過(guò)程,根據(jù)膜所用的孔徑和截留能力可以分為微孔過(guò)濾、超濾和反滲透等。膜分離過(guò)程根據(jù)推動(dòng)力的不同,大體上可分為兩。超高壓殺菌的最大優(yōu)越性在于它對(duì)食品中的風(fēng)味物質(zhì)、維生素 C、色素等沒(méi)影響,營(yíng)養(yǎng)成分損失很少,特別適用于果汁、果醬類食品的殺菌。溫度、介質(zhì)等對(duì)食品超高壓殺菌的模式和效果影響很大間歇性重復(fù)高壓處理是殺死耐壓芽孢的良好方法。微生物的死亡遵循一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。所謂高靜壓技術(shù)(HighHydrostaticPressure 簡(jiǎn)稱 HHP)就是將食品密封于彈性容器或置于無(wú)菌壓力系統(tǒng)中(常以水或其他流體介質(zhì)作為傳遞壓力的媒介物) ,在高靜壓(一般100MPa 以上)下處理一段時(shí)間,以達(dá)到加工保藏的目的。周萬(wàn)龍等研究表明,脈沖強(qiáng)光對(duì)枯草芽孢桿菌、酵母菌都具有較強(qiáng)的致死效果,30 余次閃照后,可使這些菌由 105 個(gè)減少到 0 個(gè);脈沖強(qiáng)光起殺菌作用的波段可能為紫外線,但其他波段可能有協(xié)同作用。動(dòng)力單元是一個(gè)能提供高壓高電流脈沖的部件,它為惰性氣體燈提供能量,惰性氣體燈能發(fā)出由紫外線至近紅外區(qū)域的光線,其光譜與太陽(yáng)光十分相近,但強(qiáng)度卻強(qiáng)數(shù)千倍至數(shù)萬(wàn)倍,光脈沖寬度小于 800s。紫外線進(jìn)行直線傳播,其強(qiáng)度與距離平方成比例減弱,并可被不同的表面反射,穿透力弱,廣泛用于空氣、水及食品表面、食品包裝材料、食品加工車間、設(shè)備、器具、工作臺(tái)的滅菌處理。處于 2428nm 區(qū)段的紫外線殺菌力較強(qiáng),而最強(qiáng)的波長(zhǎng)為 250265nm,多以 2357nm 作為紫外線殺菌的波長(zhǎng)。該機(jī)可根據(jù)被包裝物形狀和大小的不同,選用相應(yīng)厚度和顏色的熱收縮薄膜,同時(shí)在熱輻射中滅菌,其滅菌程序簡(jiǎn)捷,包裝質(zhì)量大大超過(guò)手工包裝,而且包裝效率提高 68 倍。遠(yuǎn)紅外加熱殺菌不需要傳媒,熱直接由物體表面滲透到內(nèi)部,因此不僅可用于一般的粉狀和塊狀食品的殺菌,而且還可用于堅(jiān)果類食品如咖啡豆、花生和谷物的殺菌以及袋裝食品的直接殺菌。 遠(yuǎn)紅外線殺菌技術(shù) 對(duì)紅外線的利用始于 20 世紀(jì),1935 年美國(guó)福特汽車公司的格羅維尼(Gro
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