豆浆通电加热特性与凝胶流变特性及其在线检测方法的研究

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大豆食品风靡全球,推动了豆制品加工业尤其是豆腐制造业的迅速发展。但是,作为豆腐的发源地和消费大国,我国的豆腐产业依然采用传统落后的生产方式。我国豆腐生产存在的主要问题有:缺少包装、卫生质量差、保质期短、产品质量不稳定、加工设备简陋、自动化水平低、工艺参数模糊、难于实现规格化和标准化生产。通电加热技术有利于提高豆腐生产过程的自动化水平,改善产品品质,因此本论文对豆浆通电加热凝胶过程中的电导率、动态流变特性、电阻率与动态流变特性之间的关系进行了研究,探索了通过测量电阻率来自动判断豆浆凝固终点,通过测量电阻率来实现动态流变特性在线自动检测的可行性。用有限元方法对豆浆通电加热过程中的温度场分布进行了模拟。在此基础上,完成了豆浆通电加热和豆浆凝固检测系统的设计,为研发通电加热家用豆腐机和商用大型豆腐机奠定了基础。通过上述研究得到的主要结论如下:(1)整个豆浆通电加热系统可用电容和电阻串联组成的等效电路表示。(2)豆浆在通电加热时的升温速率随着电场强度和频率的增加而增加;电场强度为6、12、18V/cm时,升温到90oC所需时间分别大约为:1400s,360s,170s;当电场强度为12、18V/cm时,升温曲线近似为指数曲线。(3)豆浆在通电加热凝固过程中的电导率随电场频率的增加而增加;豆浆的电导率与温度呈线性关系。(4)在通电加热时豆浆中间部位的温度分布比较均匀,靠近加热槽壁的温度较低,加热时间从50s增加到300s,豆浆的最大温差从3℃增大到20.2℃。加热槽吸热和散热是造成豆浆温度分布不均的主要原因。(5)豆浆在凝固过程中的弹性模量G’和黏性模量G"随时间的变化趋势相同:在凝胶反应初期凝胶速率很快,后期变慢。凝胶反应的均匀性与凝固温度有关,凝固温度为80℃时,凝胶反应速率变化比较均匀,制得的豆腐质构均匀。(6)可以将豆腐凝胶过程分为三个阶段:第一阶段是诱导阶段,温度从70~85℃,G’和G"变化不大;第二阶段是加速阶段,温度从85~95℃, G’和G"急剧增大;第三阶段是稳定阶段,当温度大于95℃,凝胶反应结束,豆腐凝胶形成,G’和G"趋于稳定。当温度小于70℃时,豆浆不能形成豆腐凝胶;当温度在87℃时,G’和G"相交,豆腐的凝胶温度为87℃。(7)豆浆在加热凝固过程中,电阻率、G’和G"随时间的变化曲线可以用连续一级反应模型模拟。可以用测量电阻率变化率(或电阻率)判断凝固终点,当电阻率变化率(或电阻率)基本不变时,凝固达到终点。(8)豆浆在加热凝固过程中,G、G与电阻率呈线性相关,凝固温度在75℃时,线性相关系数为0.981和0.980;80℃时,线性相关系数为0.996和0.979;85℃时,线性相关系数为:0.805、0.900。(9)设计了通电加热豆腐加工系统,主要对热电偶温度采集模块和阻抗测量模块进行了设计,实现了豆腐通电加热凝固在线检测。
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