高压电场干燥和解冻技术

本书是作者在多年教学、科研工作经验与成果的基础上，参考国内外文献资料，经总结、提炼加工而成。全书分为6 章，重点介绍了高压电场干燥和解冻技术及其在部分食品领域中的试验研究。具体包括：绪论、高压电场干燥基础研究、预处理技术在高压电场干燥中的应用、高压电场干燥结合热风干燥、高压电场解冻技术、应用前景和研究展望。
本书可作为科研院所和高校等离子体物理和高压电场技术应用专业方向的教师、本科生和研究生的参考用书，也可供高压电场干燥与解冻领域的专业研究人员和技术人员阅读参考。

丁昌江，理学博士，内蒙古工业大学理学院物理系教授，硕士生导师。在国内外期刊杂志上发表科研论文 50多篇，其中 SCI检索 20余篇；参编专著 2 部，参与申请并获批专利 5 项。主持过国家自然基金项目两项，内蒙古自然基金项目两项；参与国家、自治区项目多项。应邀担任10余个国际SCI刊物的审稿人。

本书基于作者的研究成果，系统介绍了高压电场干燥和解冻技术。

随着生活水平的提高，人们对食品质量、卫生等问题越来越关注。为了降低食品损耗，延长保存期，干燥和解冻技术成为产品加工过程中非常重要的一环，具有重要的研究意义。目前，我国食品的干燥、解冻绝大多数采用传统的方法，但这些技术存在生产效率低而且导致产品色泽、品味和品质较差等缺点，不能满足大众的需求，从而导致缺乏市场竞争力。近年来兴起的新型技术还存在一定的缺点。高压电场（high voltage electric field，HVEF）技术是近年来研究较多的非加热处理技术之一，具有传递快速均匀、能耗低、产热少等优点，并能避免由于热加工造成的多种损害。高压电场作用于食品物料的细胞，可使细胞组织结构、细胞内的微生物、酶、水分以及营养成分等发生改变，达到杀菌、干燥、钝酶、物质定向改性等目的。将高压电场处理技术应用到物料干燥和解冻过程中，具有干燥和解冻时间短、营养成分损失少、降低能耗和环境保护等优势，在食品保鲜与加工方面有着广阔的应用前景。
2001 年，笔者有幸进入内蒙古大学攻读硕士学位，接触到高压电场干燥技术，从此开始了高压电场技术应用方面的研究，特别是在食品等物料的高压电场干燥和解冻技术研究领域。随着笔者对食品等物料高压电场干燥和解冻过程的不断深入认识，逐渐获得了一些研究成果，先后承担了两项国家自然科学基金项目、三项内蒙古自然科学基金项目。在此基础上，笔者的研究团队在国内外期刊杂志上发表了一系列关于高压电场干燥和解冻技术实验结果的科研文章。
本书坚持将科学研究与推广普及二者进行有机融合，介绍内容主要以笔者团队近年来的科研成果为主，同时涉及一些国内外同行的最新研究进展，有较强的实用性和较宽的辐射面。高压电场干燥和解冻技术除了涉及食品加工和机械制造等工程技术方面，还与物理、化学、食品、机械、环境、电子和农业等学科有密切的关系，属于多学科交叉领域，正处于深入发展的阶段，有许多科学问题还有待今后进一步研究。希望本书的内容起到抛砖引玉的作用，使更多对此感兴趣的研究者加入高压电场技术应用研究领域当中来，从而推动其进一步发展。
本书的主要内容包括：高压电场干燥基础研究；预处理技术在高压电场干燥中的应用；高压电场干燥结合热风干燥技术的研究；高压电场解冻技术研究。本书由丁昌江和宋智青著。在撰写内容过程中，综合了硕士研究生杨茂生、倪家宝、张亚明、曹志远等的实验结果，在此对他们为本书所做的贡献表示诚挚感谢。此外，对于所有参与、支持、资助出版本书的个人和单位表示衷心的感谢。
由于笔者水平有限，虽然对本书中的内容多次核对，但仍有许多不足之处，恳请读者和有关同行专家批评指正。

著者
2022年8月

第1章 绪论
1.1　干燥技术简介 2
1.2　静电技术简介 6
1.3　脉冲电场技术的发展 7
1.4　高压电场干燥技术研究现状 9
1.5　高压电场解冻技术研究现状 13

第2章 高压电场干燥基础研究
2.1　高压电场干燥的原理 18
2.1.1　高压电场的性质 18
2.1.2　含水物料的性质 19
2.1.3　相互作用 22
2.1.4　“电场能传质”的概念 45
2.2　高压电场干燥特性的主要影响因素 45
2.2.1　干燥特性与电压的关系 45
2.2.2　干燥特性与极距、物料形状的关系 55
2.2.3　干燥特性与电极形状的关系 58
2.3　高压电场干燥过程中的数学模拟 75
2.4　高压电场干燥技术特性 86

第3章 预处理技术在高压电场干燥中的应用
3.1　超声波预处理对高压电场中枸杞干燥特性的影响 90
3.1.1　超声波预处理系统和预处理条件 91
3.1.2　对枸杞含水率比的影响 92
3.1.3　对枸杞干燥速率的影响 93
3.1.4　对枸杞复水率的影响 95
3.1.5　对枸杞收缩率的影响 97
3.1.6　对枸杞内部有效水分扩散系数的影响 99
3.1.7　对单位能耗的影响 100
3.1.8　枸杞红外光谱分析 102
3.1.9　枸杞微观结构分析 104
3.1.10　结论 107
3.2　预处理方法对高压电场中枸杞干燥特性的影响 107
3.2.1　预处理方法简介 108
3.2.2　对枸杞含水率比的影响 109
3.2.3　对枸杞干燥速率的影响 110
3.2.4　对枸杞复水率的影响 111
3.2.5　对枸杞收缩率的影响 111
3.2.6　对枸杞内部有效水分扩散系数的影响 112
3.2.7　对单位能耗的影响 113
3.2.8　枸杞红外光谱分析 113
3.2.9　枸杞微观结构分析 116
3.2.10　结论 118
3.3　超声波预处理功率对高压电场中马铃薯干燥特性的影响 118
3.3.1　预处理条件 119
3.3.2　对马铃薯含水率比的影响 119
3.3.3　对马铃薯干燥速率的影响 120
3.3.4　对马铃薯复水率的影响 121
3.3.5　对马铃薯收缩率的影响 122
3.3.6　对马铃薯色泽的影响 123
3.3.7　对马铃薯有效水分扩散系数的影响 124
3.3.8　对马铃薯红外光谱的影响 125
3.3.9　对马铃薯微观结构的影响 126
3.3.10　对马铃薯蛋白质二级结构的影响 127
3.3.11　对马铃薯干燥数学模型的影响 128
3.3.12　相关系数结果分析 130
3.3.13　结论 132
3.4　超声波预处理时间和温度对高压电场中马铃薯干燥特性的影响 132
3.4.1　预处理条件 132
3.4.2　对马铃薯含水率比的影响 133
3.4.3　对马铃薯干燥速率的影响 134
3.4.4　对马铃薯复水率的影响 135
3.4.5　对马铃薯色泽的影响 136
3.4.6　对马铃薯还原性糖的影响 137
3.4.7　对马铃薯有效水分扩散系数的影响 139
3.4.8　对马铃薯红外光谱的影响 139
3.4.9　对马铃薯蛋白质二级结构的影响 141
3.4.10　对马铃薯微观结构的影响 142
3.4.11　结论 144

第4章 高压电场干燥结合热风干燥
4.1　高压电场分段结合热风干燥枸杞的实验条件 147
4.2　高压电场分段结合热风干燥枸杞的干燥特性 147
4.2.1　枸杞含水率比的变化 147
4.2.2　枸杞干燥速率的变化 148
4.2.3　枸杞复水率的变化 149
4.2.4　枸杞收缩率的变化 150
4.2.5　枸杞多糖和黄酮含量的变化 150
4.2.6　枸杞内部有效水分扩散系数的变化 151
4.2.7　单位能耗的变化 152
4.2.8　枸杞红外光谱分析 153
4.2.9　枸杞微观结构分析 154
4.3　结论 156

第5章 高压电场解冻技术
5.1　高压电场中冻豆腐的解冻特性 158
5.1.1　解冻条件 158
5.1.2　解冻时间和解冻速率 158
5.1.3　解冻过程中豆腐内部的温度 161
5.1.4　豆腐损失率 164
5.1.5　结论 166
5.2　电压和极距对牛肉解冻特性的影响 166
5.2.1　解冻装置和解冻条件 167
5.2.2　解冻过程中牛肉内部的温度 168
5.2.3　牛肉损失率 171
5.2.4　持水性分析 173
5.2.5　牛肉颜色 174
5.2.6　牛肉微观结构分析 176
5.2.7　结论 177
5.3　针间距对牛肉解冻特性的影响 177
5.3.1　解冻条件 177
5.3.2　解冻曲线、解冻时间和解冻速率 178
5.3.3　牛肉损失率 180
5.3.4　牛肉颜色 181
5.3.5　牛肉红外光谱分析 182
5.3.6　蛋白质二级结构分析 184
5.3.7　结论 188
5.4　利用响应面法研究高压电场解冻牛肉的参数条件 188
5.4.1　解冻条件 188
5.4.2　解冻时间和解冻速率 190
5.4.3　汁液损失率 192
5.4.4　离心损失率 196
5.4.5　响应面模型诊断 198
5.4.6　结论 200
5.5　介质阻挡放电条件下牛肉的解冻特性 202
5.5.1　解冻装置和解冻实验条件 203
5.5.2　离子风和放电现象分析 204
5.5.3　解冻时间和解冻速率 206
5.5.4　牛肉损失率 207
5.5.5　牛肉颜色 208
5.5.6　牛肉微观结构分析 209
5.5.7　牛肉红外光谱分析 210
5.5.8　蛋白质二级结构分析 212
5.5.9　结论 215

第6章 应用前景和研究展望
6.1　高压电场干燥技术 218
6.2　高压电场解冻技术 220

参考文献