模擬真空凍干過程中懷山藥內部冰鋒遷移的裝置及方法
【專利摘要】一種模擬真空凍干過程中懷山藥內部冰鋒遷移的裝置，設有一個圓管，圓管內部沿其軸向平行分布有兩組不同直徑的毛細管簇，兩組毛細管簇中均包含多根毛細管，直徑較大一組的毛細管簇中相鄰的三根毛細管均呈等邊三角形排布，直徑較小一組的毛細管簇中的各毛細管分別位于所述各等邊三角形邊長的中點位置，圓管內各毛細管在其整個長度方向上均間隔開設有多個小孔，整個圓管內各毛細管之間密實填充有微小硅膠顆粒，各毛細管的兩端面與圓管的兩端面平齊，圓管和各毛細管均由透明材料制成。真空凍干過程中，用攝像頭分別觀察裝置橫截面和側面的冰鋒遷移情況。本發明可準確觀察真空凍干過程中懷山藥內部各個時刻的冰鋒位置，方便、準確且廉價。
【專利說明】
模擬真空凍干過程中懷山藥內部冰鋒遷移的裝置及方法
技術領域
[0001]本發明涉及一種模擬懷山藥內部多尺度孔道結構的裝置，具體涉及一種用于模擬真空凍干過程中懷山藥內部冰鋒迀移的裝置及方法。
【背景技術】
[0002]懷山藥為薯蕷科植物，含有淀粉、黏液質、尿囊素、膽堿、16種氨基酸、甘露多糖、糖蛋白、多種維生素和礦物質等成分。其味甘性平、健脾益腎、止瀉化痰、潤皮毛，在調節免疫、降血糖、抗衰老及抗氧化等方面具有獨特的生物活性，是我國傳統的藥食同源食物。
[0003]因懷山藥水分含量高、易腐爛變質，其干制品的形式更便于流通和貯藏，因此懷山藥產品大多是制成干粉利用的。制干粉之前大多是將懷山藥切片，干燥，獲得干的山藥片，將山藥片粉碎后制得山藥粉。現也有將懷山藥直接加工成干懷山藥片，直接復水后食用或者當飲片泡水服用的。干的懷山藥片或者粉的品質與干燥方法有著密切關系。
[0004]常壓熱風干燥技術處理懷山藥，普遍存在著變色嚴重、組織塌陷、性味消失、喪失食用和藥用價值等問題。也有少數生產企業開始將真空冷凍干燥技術應用于懷山藥的干燥。真空冷凍干燥是目前公認的干燥品質最好的干燥技術，它能保留新鮮物料的色、香、味及其營養成分，但處理懷山藥等高含水率物料所需的時間往往在30 h以上。干燥過程中大功率的制冷機組、真空系統、加熱系統的長時間運轉使得成本高昂。高昂的成本使真空冷凍干燥技術目前主要用于高價值的食品中，而在常規食品中的應用較少。因此，縮短干燥時間成為使真空冷凍干燥技術廣泛應用于食品干燥的有效途徑。
[0005]要想解決真空冷凍干燥過程中干燥時間長、質熱傳遞慢的問題，只有從考慮懷山藥內部結構出發，研究加快干燥過程中懷山藥物料內部的質熱傳遞機理，找到干燥參數控制方法和物料干燥行為之間的關系，才能從根本上解決質熱傳遞速度慢、干燥時間長的問題。物料干燥行為受物料內部的水分迀移規律控制，物料內部的水分迀移規律可用冰鋒面位置的變化指示，因此，觀察懷山藥真空凍干過程中冰鋒迀移對掌握水分迀移規律是至關重要的。
[0006]目前觀察物料內部冰鋒迀移時依靠掃描電子顯微鏡、微CT掃描儀等價格高昂的儀器，且都需要將凍干過程中的物料中間取出，從取出到放在儀器上觀察，物料周圍的環境溫度和壓力與凍干室不同，使得冰鋒面發生變化，從而導致儀器觀察到的冰鋒面位置與實際情況不符。
【發明內容】
[0007]本發明的目的是提供一種可模擬懷山藥內部物理特性和水分分布結構的裝置，能夠用于模擬真空凍干過程中懷山藥內部的冰鋒迀移情況。
[0008]為實現上述發明目的，本發明的技術方案是:模擬真空凍干過程中懷山藥內部冰鋒迀移的裝置，設有一個圓管，圓管內部沿其軸向平行分布有兩組不同直徑的毛細管簇，兩組毛細管簇中均包含多根毛細管，直徑較大一組的毛細管簇中相鄰的三根毛細管均呈等邊三角形排布，直徑較小一組的毛細管簇中的各毛細管分別位于所述各等邊三角形邊長的中點位置，圓管內各毛細管在其整個長度方向上均間隔開設有多個小孔，整個圓管內各毛細管之間密實填充有微小硅膠顆粒，各毛細管的兩端面與圓管的兩端面平齊，圓管和各毛細管均由透明材料制成。
[0009]本發明裝置中，圓管用以模擬懷山藥的外皮，圓管內部沿其軸向平行分布的兩組不同直徑的毛細管簇，用以模擬懷山藥內部的微管簇，毛細管間充滿微小硅膠顆粒用以模擬填充在懷山藥微管間的固形物骨架組織，有保水性，硅膠顆粒本身不會因吸水而變大，與真空凍干過程中組織結構不發生坍塌或膨脹保持原有形狀相一致，毛細管在長度方向上開有小孔，使得毛細管外硅膠顆粒內的水分也可擴散至毛細管中，用以模擬懷山藥內微孔壁面具有生物通透性。
[0010]利用本發明上述裝置的方法，包括如下步驟:
(1)、將所述裝置浸泡于溶液中，待裝置內的孔隙充滿溶液后，放入速凍機內凍結；
(2)、凍結結束后將所述裝置放入凍干室內，使所述裝置的橫截面和側面分別對著一個攝像頭，然后開始抽真空凍干；
(3)、凍干過程中，對著橫截面的攝像頭記錄裝置橫截面上冰鋒退卻的位置，對著側面的攝像頭記錄裝置軸向上冰鋒退卻的快慢。
[0011 ] 上述步驟(I)中所述的溶液為水溶性色素的水溶液，溶液凍結后呈現水溶性色素的顏色，升華后無色素沉積在所述裝置上。其中，水溶性色素有桔黃、檸檬黃、花青素等，只要滿足上述要求即可。由此，裝置內的孔隙充滿水溶性色素的水溶液后，裝置與水溶性色素的顏色一致，在凍干過程中冰鋒位置隨溶液升華而發生改變，冰鋒位置可由水溶性色素的顏色指示，升華過程中冰鋒位置清晰可見。與微CT掃描儀相比，摒棄了通過灰度值的改變判斷冰鋒升華界面的位置這一判斷方法，冰鋒位置變化的指示更加直觀、便捷、準確。
[0012]有益效果:
1、該裝置不需中途取出物料，可實時在線二維觀察整個凍干過程中懷山藥內部孔道內冰升華時冰鋒面的迀移情況；
2、解決了觀察時因物料周圍環境改變而導致冰鋒位置變化的難題，可準確觀察凍干過程各個時刻的冰鋒位置，觀察結果更加接近實際情況；
3、該裝置代替電子掃描顯微鏡和微CT掃描儀等價格高昂的設備，可大大節省成本；
4、凍干過程中，該裝置具有透明、無褐變的特點，能夠方便、準確、廉價地獲取真空凍干過程中懷山藥類多孔介質內部的冰鋒面迀移情況；
5、凍干過程中，采用水溶性色素的顏色來指示冰鋒位置的迀移情況，凍干過程中冰鋒位置清晰可見，觀察結果更為直觀、準確和便捷。
【附圖說明】
[0013]圖1為本發明裝置的橫截面示意圖；
圖2為本發明裝置的縱剖面示意圖；
圖中標記為:1、圓管，2、微小硅膠顆粒，3、小直徑毛細管，4、大直徑毛細管，5、小孔。【具體實施方式】
[0014]實施例1
模擬長度2cm、直徑2cm的懷山藥，使用長度2cm、直徑為2cm的薄壁玻璃管做外壁，將玻璃管豎直放置在一個有雙面膠的平面上，再將長度3cm、直徑為0.8 mm的玻璃毛細管按等邊三角形排列于玻璃圓管中，每個等邊三角形的邊長為3mm，每兩個直徑為0.8mm的玻璃毛細管中間的位置(即各等邊三角形邊長的中點位置)放置一根長度3cm、直徑為0.1mm的玻璃毛細管，每根直徑為0.8mm的玻璃毛細管在其軸向上都每隔4_開有直徑為0.15 mm的小孔，每根直徑為0.1mm的玻璃毛細管在其軸向上都每隔4mm開有直徑為0.02mm的小孔，之后在玻璃毛細管之間填充微小硅膠顆粒，壓實，截斷玻璃毛細管，使其與玻璃管外壁長度一致。
[0015]實施例2
模擬長度2cm、直徑3cm的懷山藥，使用長度2cm、直徑為3cm的薄壁玻璃管做外壁，將玻璃管豎直放置在一個有雙面膠的平面上，再將長度3cm、直徑為Imm的玻璃毛細管按等邊三角形排列于圓管中，每個等邊三角形的邊長為3mm，每兩個直徑為Imm的玻璃毛細管之間的中間位置放置一根長度3cm、直徑為0.3_的玻璃毛細管，每根直徑為Imm的玻璃毛細管在軸向上都每隔4mm開有直徑為0.2mm的小孔，每根直徑為0.3mm的玻璃毛細管在軸向上都每隔4mm開有直徑為0.03mm的小孔，之后在玻璃毛細管之間填充微小硅膠顆粒，壓實，截斷玻璃毛細管，使其與玻璃管外壁長度一致。
[0016]實施例3
模擬長度2cm、直徑4cm的懷山藥，使用長度2cm、直徑為4cm的薄壁玻璃管做外壁，將玻璃管豎直放置在一個有雙面膠的平面上，再將長度3cm、直徑為1.5 mm的玻璃毛細管按等邊三角形排列于圓管中，每個等邊三角形的邊長4mm，每兩個直徑為1.5 mm的玻璃毛細管之間放置一根長度3 cm、直徑為0.4 mm的玻璃毛細管，每根直徑為1.5 mm的玻璃毛細管在軸向上都每隔4 mm開有直徑為0.25 mm的小孔，每根直徑為0.4 mm的玻璃毛細管在軸向上都每隔5 mm開有直徑為0.05mm的小孔，之后在玻璃毛細管之間填充微小硅膠顆粒，壓實，截斷玻璃毛細管，使其與玻璃管外壁長度一致。
[0017]模擬過程為:將上述任一實施例所制備的裝置浸入溶液中，直至玻璃毛細管內以及硅膠顆粒間的空隙充滿溶液后，將充滿溶液的裝置放入速凍機內，凍結至-45°C，然后將裝置置于凍干室內，使裝置的橫截面對準一個攝像頭，側面對準另一個攝像頭，抽真空，使凍干室內壓力降低到10?20 Pa，凍干過程中，對著橫截面的攝像頭記錄裝置橫截面上冰鋒退卻的位置，對著側面的攝像頭記錄裝置軸向上冰鋒退卻的快慢，從而通過兩個攝像頭實時觀察裝置內冰鋒面的迀移過程。
[0018]為使凍干過程中冰鋒的位置觀察得更為準確和便捷，可將上述溶液采用水溶性色素的水溶液，溶液凍結后呈現水溶性色素的顏色，升華后無色素沉積在所述裝置上。由此，在凍干過程中冰鋒位置隨溶液升華而發生改變，冰鋒位置由水溶性色素的顏色指示，升華過程中冰鋒位置清晰可見。
【主權項】
1.模擬真空凍干過程中懷山藥內部冰鋒迀移的裝置，其特征在于:設有一個圓管，圓管內部沿其軸向平行分布有兩組不同直徑的毛細管簇，兩組毛細管簇中均包含多根毛細管，直徑較大一組的毛細管簇中相鄰的三根毛細管均呈等邊三角形排布，直徑較小一組的毛細管簇中的各毛細管分別位于所述各等邊三角形邊長的中點位置，圓管內各毛細管在其整個長度方向上均間隔開設有多個小孔，整個圓管內各毛細管之間密實填充有微小硅膠顆粒，各毛細管的兩端面與圓管的兩端面平齊，圓管和各毛細管均由透明材料制成。2.如權利要求1所述的模擬真空凍干過程中懷山藥內部冰鋒迀移的裝置，其特征在于:所述圓管內各毛細管在其整個長度方向上開設的小孔均等間距設置。3.利用如權利要求1所述的模擬真空凍干過程中懷山藥內部冰鋒迀移的裝置的方法，其特征在于:包括如下步驟: (1)、將所述裝置浸泡于溶液中，待裝置內的孔隙充滿溶液后，放入速凍機內凍結； (2)、凍結結束后將所述裝置放入凍干室內，使所述裝置的橫截面和側面分別對著一個攝像頭，然后開始抽真空凍干； (3)、凍干過程中，對著橫截面的攝像頭記錄裝置橫截面上冰鋒退卻的位置，對著側面的攝像頭記錄裝置軸向上冰鋒退卻的快慢。4.如權利要求3所述的利用所述模擬真空凍干過程中懷山藥內部冰鋒迀移的裝置的方法，其特征在于:步驟(I)中所述的溶液為水溶性色素的水溶液，溶液凍結后呈現水溶性色素的顏色，升華后無色素沉積在所述裝置上。
【文檔編號】F26B5/06GK106053518SQ201610384639
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年6月2日
【發明人】張樂道, 任廣躍, 馬帥營, 段續, 袁云霞, 張敏
【申請人】河南科技大學