Способ бескристаллического замораживания водосодержащих продуктов питания

Изобретение относится к области замораживания продуктов питания и предназначено для предотвращения кристаллизации воды в продуктах питания при фазовом переходе вода-лед. Предложен способ замораживания водосодержащих продуктов питания, который включает в себя быстрое охлаждение продукта питания, которое начинают с одновременным созданием вокруг замораживаемого продукта питания неоднородного переменного электрического поля, при этом неоднородное переменное электрическое поле создается с помощью матриц электродов, а управление направлениями, скоростью и характером перемещений статичных градиентов напряженности электрического поля в каждой точке поля осуществляют посредством организации возвратно-поступательных циклов перемещения областей статичного градиента напряженности электрического поля вдоль горизонтальной плоскости охлаждаемого объекта, в течение всего периода фазового перехода вода-лед посредством включения потенциалов электродов на матрицах модулятора поля, управление направлениями, скоростью и характером перемещений статичных градиентов напряженности электрического поля организует циклическое движение диполей воды по замкнутым траекториям с образованием стеклообразного льда, не содержащего кристаллов, при этом воздействие неоднородным переменным электрическим полем осуществляют до момента завершения фазового перехода вода-лед, определяемого по снижению электропроводности продукта питания, а быстрое охлаждение продолжают до достижения продуктом питания температуры хранения, заданной в диапазоне от -15°С до -20°С, при этом расстояние между матрицами модулятора поля от 50 до 150 мм, шаг электродов в матрицах модулятора поля составляет 10 мм, а циклическая частота перемещения областей статичного градиента напряженности электрического поля составляет от 20 до 100 Гц. Кроме того, неоднородное электрическое поле создается с помощью плоскостных или объемных матриц модулятора поля. Электроды матриц модулятора поля могут быть точечными, линейными или плоскостными. Напряжение на электродах матриц модулятора поля - от 3 до 70 кВт. Частота переменного поля - от 1 кГц до 20 кГц. Каждая смена направления перемещения статичных градиентов напряженности электрического поля сопровождается инверсией областей статичных градиентов электрического поля на 180 градусов. Изобретение направлено на обеспечение полного предотвращения образования кристаллов льда при замораживании продуктов питания, быстрого и эффективного теплоотвода от продукта питания, длительного сохранения органолептических свойств и физико-химических характеристик продуктов питания как объектов замораживания. 5 з.п. ф-лы, 7 ил., 3 табл.

 

Заявляемое изобретение относится к области замораживания продуктов питания и предназначено для предотвращения кристаллизации воды в продуктах питания органического и неорганического происхождения при фазовом переходе вода-лед.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

На протяжении многих десятилетий усилия по оптимизации процессов замораживания объектов органического и неорганического происхождения были направлены на уменьшение размеров образующихся при замораживании кристаллов льда вплоть до предотвращения их образования.

Разностью плотностей воды и льда объясняется разрушительное воздействие кристаллизации на внутренние структуры биологических объектов и продуктов органического и неорганического происхождения при снижении их температур ниже температур фазового перехода воды в свободном и связанном состояниях. Образующиеся внутри клеток и в суспензии межклеточного пространства кристаллы льда создают механическую напряженность из-за увеличения внутреннего объема. Процессы неизбежного срастания первичных кристаллов и их дальнейшего роста (за счет дегидратации прилегающих к кристаллам тканей) приводят к полному или частичному механическому разрушению клеточных и межклеточных структур. Одновременно повышаются концентрации растворенных веществ, и воздействие этих концентраций на матрицу продукта приводит в процессе хранения к денатурации белков, окислению жиров, разрушению углеводов, витаминов и, соответственно, к деградации органолептических свойств исходного продукта.

Для контроля образования льда и степени его зернистости в рассмотренных прототипах применялись различные стратегии, такие, как понижение температуры охлаждения, повышение коэффициента передачи поверхностного тепла, высокое давление, ультразвук, электрические и магнитные поля.

В последние годы проводилось множество исследований, в которых авторы пытаются воспользоваться воздействием магнитных и электрических полей на свойства воды для улучшения процессов замораживания продуктов питания, кубиков льда, живых клеток (например, крови, тканей животных и органов), растений, а также химических и фармацевтических продуктов. Согласно опубликованным источникам, основным преимуществом магнитных и электрических полей при замораживании является достижение большого переохлаждения воды в образце до возникновения центров кристаллизации льда. Таким образом, когда начинается кристаллизация, ее скорость настолько высока, что мгновенно образуются множество крошечных кристаллов льда, и ущерб, нанесенный кристаллизацией объекту замораживания, как предполагается исследователями, будет существенно уменьшен. Кроме того, поля способны не только увеличить переохлаждение, но и повысить темп охлаждения во время процесса замораживания.

Авторами настоящего изобретения были обнаружены различные статьи в научно-технических и информационных источниках, касающиеся рассматриваемой проблематики.

Так, согласно коммерческой рекламе, как CAS, так и морозильники "Протон" способны генерировать крошечные кристаллы льда по всему замороженному продукту, предотвращать разрушение клеток и сохранять качество свежего продукта нетронутым после оттаивания (ABI Co. 2007; IFP Ltd. 2015).

Также, можно перечислить статьи: Сороко О., Усеня Ю. «Анализ способов замораживания пищевых продуктов», Наука и инновации, 2011 https://cyberleninka.ru/article/n/analiz-sposobov-zamorazhivaniya-pischevyh-produktov/viewer), в которой раскрыто, что замораживание - процесс понижения температуры продукта ниже криоскопической на 10-30 °С, сопровождаемый переходом в лед содержащейся в нем влаги, Effects of high-voltage electric field produced by an improved electrode system on freezing behaviors and selected properties of agarose gel, в которой раскрыта работа, направленная на оценку влияния электрического поля высокого напряжения (HVEF), создаваемого усовершенствованной электродной системой (https://www.sciencedirect.com/ science/article/abs/pii/S0260877419300780), Effects of ultrahigh permittivity ceramic on water freezing by high voltage electric field-assisted freezing system, в которой приведены результаты исследования влияния керамики со сверхвысокой диэлектрической проницаемостью (UHPC) на замерзание воды были разработаны высоковольтная система замораживания с помощью электрического поля на основе UHPC (UHPC-HVEFF) и высоковольтная система замораживания с помощью электрического поля на основе акрила с низкой диэлектрической проницаемостью (LPA-HVEFF) (https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0140700721000840), и т.д.

Магнитная заморозка пробудила большой интерес в научной среде, однако результаты, опубликованные в литературе, часто явно противоречивы, а некоторые факторы, которые играют роль в магнитной заморозке, не рассматриваются. К тому же чрезвычайно низкая сила применяемых полей ставит под сомнение влияние, которое эти слабые поля могут иметь на воду.

В патентной литературе авторами настоящего изобретения также были выявлены несколько источников, относящиеся к процессу замораживания в условиях воздействия магнитных и электрических полей.

Воздействие магнитных полей на молекулы воды также описано в патентном документе RU2669644C1, дата публикации 12.10.2018. В частности, раскрыто, что при действии переменного магнитного поля генератором на жидкий хладагент происходит усиление поляризации его молекул, что влечет за собой повышение теплоемкости, энтальпии хладагента, а также его диффузионных свойств. Внешнее переменное магнитное поле от генератора, действуя на поляризованные молекулы хладагента (диполи, триполи, квадриполи и т.д.), порождают силу Лоренса, благодаря которой возникают гидродинамические колебания различной частоты. В результате этого меняется плотность растворенных газов и доля кавитационных разрывов в объеме жидкости. Тепло, полученное хладагентом от испарителя, релаксируется (расходуется) на гомогенизацию газожидкостной среды хладагента как в фазовом, так и в плотностном аспектах, это ведет к интенсификации отвода тепла из охлаждаемого грунта Q. Переменное магнитное поле, создаваемое генератором, влияет на процессы массопереноса и массообмена в вязкотекучей жидкости (хладагенте). Молекулы хладагента и их ассоциаты, гидратированные ионы, совершают беспрерывные колебательные движения, которым соответствует определенный энергетический уровень. При воздействии на эту осциллирующую систему переменного магнитного поля оптимальной частоты возможен резонанс с определенной группой молекул и ассоциатов с возникновением квантов, энергии, способных изменять структурную характеристику хладагента и соответственно его физические свойства: повышение энтальпии mi×qi и увеличение энтропии dq/dt°.

Однако устройство не предназначено для отведения тепла из объема продуктов питания.

Кроме того, известен (RU2270407C2, дата публикации 20.02.2006) способ быстрого охлаждения предусматривает понижение температуры воздуха вокруг объекта замораживания до -30...-100°С и приложение к нему однонаправленного магнитного поля. На объект воздействуют потоком воздуха, имеющим скорость 1...5 м/с. На этот поток воздуха накладывают звуковую волну слышимого частотного диапазона. Возможно приложение электрического поля к объекту замораживания. Установка содержит морозильник, способный понизить температуру до -30...-100°С, генератор пульсирующего магнитного поля, вентилятор для циркуляции холодного воздуха в морозильнике, генератор звуковой волны. Для прикладывания электрического поля интенсивностью 100...1000 кВ/м к центральной части морозильника установка содержит генератор электрического поля. Генератор пульсирующего магнитного поля включает постоянные магниты для прикладывания статического магнитного поля к центральной части морозильника с интенсивностью заданного опорного уровня и электромагнитные катушки для приложения пульсирующего магнитного поля, которое пульсирует в пределах предварительно заданного диапазона относительно статического магнитного поля в центральной части морозильника.

Вышеописанный способ уменьшает размеры кристаллов льда в поликристаллической структуре замороженной воды, но не предотвращает их возникновение в процессе замораживания, а также срастание и дальнейший рост за счет присоединения молекул связанной воды в процессе хранения. Кроме того, при применении вышеописанного метода быстрого замораживания в процессе длительного хранения происходит разрушение клеточной структуры объектов.

Наиболее близким аналогом настоящего изобретения является известное решение (WO/2003/038355, дата публикации 08.05.2003), раскрывающее высокоэффективное морозильное устройство и способ высокоэффективного замораживания. Объект, размещенный во внутреннем пространстве морозильной камеры, быстро охлаждается до заданной температуры с предотвращением замерзания воды при приложении к объекту осциллирующего электрического поля, предпочтительно переменной частоты в диапазоне от 50 Гц до 5 МГц и/или магнитного поля, или дополнительного ионного воздуха, и затем объект мгновенно замораживают при заданной температуре. Предпочтительно магнитное поле представляет собой статическое магнитное поле и/или переменное магнитное поле. Средство генерирования переменного магнитного поля включает в себя множество блоков электромагнитной катушки, каждый из которых включает в себя основание катушки для формирования катушки и электромагнитную катушку, образованную из высокопроводящей проволоки, намотанной вокруг основания, причем катушка герметизирована компаундирующим компаундом. Блоки электромагнитной катушки расположены параллельно, последовательно или поперечно вдоль держателя так, чтобы находиться поперек держателя, или таким образом, чтобы окружать или сэндвич держатель. Таким образом, на объект, подлежащий замораживанию или подвергнутый другим обработкам, может быть приложено переменное магнитное поле с равномерной интенсивностью.

Недостатком известного решения является то, что при раскрытом способе при температуре ниже - 10°C кристаллы льда все равно образуются, а в патентном документе отсутствуют какие-либо фактические данные, подтверждающие отсутствие в продукте кристаллов льда после заморозки, и тем более после хранения и разморозки.

Кроме того, недостатками анализируемого наиболее близкого аналога можно указать то, что вышеописанный способ уменьшает размеры кристаллов льда в поликристаллической структуре замороженной воды, но не предотвращает их возникновение в процессе замораживания, а также их срастание и дальнейший рост за счет присоединения молекул связанной воды в процессе хранения. Процессы неизбежного срастания первичных кристаллов и их дальнейшего роста (за счет дегидратации прилегающих к кристаллам тканей замороженного объекта) приводят к полному или частичному механическому разрушению клеточных и межклеточных структур.

При этом одновременно с образованием кристаллов льда повышаются концентрации растворенных веществ, и воздействие этих концентраций (крио-концентрации) на матрицу продукта приводит в процессе хранения к денатурации белков, окислению жиров, разрушению углеводов, витаминов и, соответственно, к деградации органолептических свойств исходного продукта.

Также, следует указать, что в наиболее близком аналоге не раскрыты физические и биологические механизмы воздействия магнитных полей на процесс образования кристаллов льда. Нет каких-либо обоснований, что декларируемые эффекты уменьшения кристаллов льда являются следствием воздействия на продукт магнитных полей. Кроме того, при применении вышеописанного метода быстрого замораживания в сфере биологии и биомедицины разрушение клеточной структуры в процессе хранения не обеспечивает жизнеспособности клеток, тканей, органов и биологических объектов.

Проведенный анализ уровня техники показал, что, по-прежнему, существует необходимость создания способа бескристаллической заморозки для полного предотвращения образования кристаллов льда при замораживании продуктов питания органического и неорганического происхождения. Задачей является предотвращение повреждения кристаллами льда клеточной структуры органических продуктов и потери ими потребительских свойств при дальнейшем размораживании. Таким образом, необходимо устранить все приведенные недостатки известных решений.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Техническим результатом, на достижение которого направлены предлагаемые решения, является:

- обеспечение полного предотвращения образования кристаллов льда при замораживании продуктов питания органического и неорганического происхождения,

- обеспечение быстрого и эффективного теплоотвода от продукта питания,

- обеспечение длительного сохранения органолептических свойств и физико-химических характеристик объектов замораживания.

Технические результаты достигаются тем, что разработан способ замораживания водосодержащих продуктов питания органического и неорганического происхождения, характеризующийся тем, что включает в себя быстрое охлаждение продукта питания, которое начинают с одновременным созданием вокруг замораживаемого продукта питания неоднородного переменного электрического поля, при этом неоднородное переменное электрическое поле создается с помощью матриц электродов, а управление направлениями, скоростью и характером перемещений статичных градиентов напряженности электрического поля в каждой точке поля осуществляют в течение всего периода фазового перехода вода-лед посредством включения потенциалов электродов на матрицах модулятора поля, управление направлениями, скоростью и характером перемещений статичных градиентов напряженности электрического поля организует циклическое движение диполей воды по замкнутым траекториям с образованием стеклообразного льда, не содержащего кристаллов, при этом воздействие неоднородным переменным электрическим полем осуществляют до момента завершения фазового перехода вода-лед, определяемого по снижению электропроводности продукта питания, а быстрое охлаждение продолжают до достижения продуктом питания температуры хранения, заданной в диапазоне от -15°С до -20°С.

Неоднородное электрическое поле создается с помощью плоскостных или объемных матриц модулятора поля. Электроды матриц модулятора поля могут быть точечными, линейными или плоскостными. Шаг электродов в матрицах модулятора поля составляет не менее 5 мм. Расстояние между матрицами модулятора поля от 20 до 1500 мм.

Напряжение на электродах матриц модулятора поля от 3 до 70 кВт. Частота переменного поля от 1 кГц до 20 кГц.

Управление направлениями, скоростью и характером перемещений статичных градиентов напряженности электрического поля в каждой точке поля осуществляют посредством организации возвратно-поступательных циклов перемещения областей статичного градиента напряженности электрического поля вдоль горизонтальной плоскости охлаждаемого объекта.

Циклическая частота перемещения областей статичного градиента напряженности электрического поля составляет от 5 до 150 Гц.

Каждая смена направления перемещения статичных градиентов напряженности электрического поля сопровождается инверсией областей статичных градиентов электрического поля на 180 градусов.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

На Рис. 1 схематически показана организация областей статичных градиентов напряженности переменного электрического поля.

На Рис. 2 представлена схема динамического управления локальными областями статичных градиентов напряженности переменного электрического поля.

На Рис. 3 показано положение диполя воды и траектория его движения в различных фазах перемещения локальных областей статичных градиентов напряженности переменного электрического поля.

На Рис. 4 представлен температурный график фазового перехода вода-лед под воздействием статичных градиентов напряженности переменного электрического поля и без воздействия при замораживании воды.

На Рис. 5 представлен температурный график фазового перехода вода-лед под воздействием статичных градиентов напряженности переменного электрического поля и без воздействия при замораживании земляники.

На Рис. 6 представлен температурный график фазового перехода вода-лед под воздействием статичных градиентов напряженности переменного электрического поля и без воздействия при замораживании хурмы.

На Рис. 7 представлен температурный график фазового перехода вода-лед под воздействием статичных градиентов напряженности переменного электрического поля и без воздействия при замораживании мяса птицы.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Предлагаемым изобретением является способ бескристаллического замораживания водосодержащих продуктов питания органического и неорганического происхождения, включающий в себя быстрое охлаждение продукта питания и создание вокруг замораживаемого продукта питания неоднородного переменного электрического поля.

Быстрое охлаждение может быть осуществлено любым обычно применяемым в рассматриваемой области техники способом в зависимости от специфики продукта: охлаждение в газообразном хладагенте (например, холодным воздухом и т.д.), охлаждение в жидком хладагенте (например, холодной водой или спиртом, жидким азотом и т.д.).

Быстрое охлаждение начинают осуществлять одновременно с созданием вокруг замораживаемого продукта питания неоднородного переменного электрического поля.

Неоднородное электрическое поле создается с помощью плоскостных или объемных матриц модулятора поля. Электроды матриц модулятора поля могут быть точечными, линейными или плоскостными. Шаг электродов в матрицах модулятора поля составляет не менее 5 мм. Расстояние между матрицами модулятора поля от 20 до 1500 мм.

Напряжение на электродах матриц модулятора поля от 3 до 70 кВт. Частота переменного поля от 1 кГц до 20 кГц.

Неоднородное переменное электрическое поле характеризуется статичными градиентами напряженности электрического поля в каждой точке поля, управляемое перемещение областей которых организует циркуляцию диполей воды по замкнутым траекториям.

Каждая область статичного градиента напряженности электрического поля представляет собой конус, обращенный вершиной к электроду. На Рис. 1 и 2 показано плоскостное отображение конуса области статичного градиента напряженности электрического поля – треугольник.

Управление изменениями направления, скорости и характера перемещений статичных градиентов напряженности электрического поля относительно продукта питания производится посредством поочередного включения потенциалов электродов на матрицах модулятора поля (Рис. 2 и 3). Образованное таким образом циклическое движение диполей воды по замкнутым траекториям (вихревое движение групп молекул воды) создает эффект вязкости, что приводит к образованию твердого льда со стеклообразной бескристаллической структурой.

Таким образом, согласно предлагаемому изобретению управление направлениями, скоростью и характером перемещений статичных градиентов напряженности электрического поля в каждой точке поля осуществляют посредством организации возвратно-поступательных циклов перемещения областей статичного градиента напряженности электрического поля вдоль горизонтальной плоскости охлаждаемого объекта. Циклическая частота перемещения областей статичного градиента напряженности электрического поля составляет от 5 до 150 Гц.

В одном цикле перемещения областей статичного градиента напряженности электрического поля величина пошагового (один шаг – минимальное расстояние между электродами) равномерного поступательного перемещения равна половине ширины области, величина пошагового возвратного перемещения – половине ширины области за вычетом минимального расстояния между электродами в матрице. За одну секунду смещение точки начала цикла по горизонтали составляет, соответственно, от 5 до 150 матричных расстояний между электродами. Каждая смена направления перемещения статичных градиентов напряженности электрического поля сопровождается инверсией областей статичных градиентов переменного электрического поля на 180 градусов.

Области статичных градиентов напряженности электрического поля перемещаются относительно объекта замораживания (продукта питания органического или неорганического происхождения) с помощью подачи потенциалов на электроды для создания вихревого группового движения дипольных молекул воды в объеме объекта. В результате, диполь воды под действием статичных градиентов напряженности перемещается по циклической траектории (Рис. 3).

Инверсия областей статичного градиента переменного электрического поля внутри возвратно-поступательного цикла при смене направления их перемещения и смещение точки начала цикла в направлении поступательного перемещения после каждого цикла позволяет охватить вихревым движением все диполи воды. Частота цикла и шаг смещения формирует различные режимы вихревого движения и влияют на размеры конвективных ячеек (конвективная ячейка – замкнутая траектория диполя (или группы диполей) воды) и степень интенсивности их энергетического взаимодействия (передача тепла изнутри водного раствора к его поверхности). Чем меньше размер локальных областей поля, то есть чем меньше шаг между электродами, тем больше в жидкой среде объекта замораживания количество конвективных молекулярных ячеек воды. Чем выше скорость перемещения локальных областей статичных градиентных полей относительно объекта, тем меньше размеры этих конвективных ячеек. Размер и количество конвективных ячеек определяется спецификой продукта питания. Чем выше процент содержания воды в продукте, тем ниже скорость перемещения локальных областей и больше размер конвективных ячеек.

Воздействие на продукт питания статичными градиентами напряженности электрического поля, движущимися относительно продукта питания, а также управление направлениями, скоростью и характером их перемещений осуществляется на протяжении всего фазового перехода вода-лед.

Момент окончания воздействия неоднородным переменным электрическим полем на продукт питания определяется моментом завершения фазового перехода вода-лед, который, в свою очередь, определяется по снижению электропроводности продукта питания.

Общеизвестно, что электрическая проводимость льда весьма мала и во много раз меньше электрической проводимости воды. Так, удельная электропроводность у дистиллированной воды составляет примерно от 10ˉ5 См/м до порядка 3,33 См/м (в зависимости от степени минерализации воды), тогда как у льда данный показатель составляет от 0,27·10^ˉ7 См/м до 0,52·10^ˉ7 См/м (в зависимости от температуры льда).

После завершения фазового перехода вода-лед, т.е. окончания воздействия неоднородным переменным электрическим полем на продукт питания, быстрое охлаждение продолжают до достижения продуктом питания температуры хранения, заданной в диапазоне от -15°С до -20°С.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Проверка реализуемости изобретения была проведена в серии экспериментов по замораживанию следующих водосодержащих продуктов питания: вода, ягоды (земляника), фрукты (хурма), мясо птицы (курица). Приведенные ниже варианты осуществления изобретения являются частными случаями заявленного изобретения и не ограничивают объем притязаний.

Серия экспериментов с водой проводилась при следующих условиях: образцы замораживались в стеклянных пробирках емкостью 20 мл, диаметр пробирки 12 мм, объем воды в пробирках – 10 мл. Охлаждение производилось обдувом охлажденным воздухом.

Одна пробирка с водой помечалась как контрольная и подвергалась обычному замораживанию. Остальные пробирки с водой замораживались предлагаемым в настоящем изобретении способом.

Момент окончания воздействия электрическим полем на продукт определялся путем измерения электропроводности. При падении электропроводности до 5 мкСм/см воздействие полем прекращалось (вода полностью перешла в твердую фазу). Измерение электропроводности проводилось кондуктометром компании Valagro.

Условия испытаний с водой и с водосодержащими продуктами питания органического происхождения приведены в Таблице 1.

Таблица 1

Наименование показателя	Наименование продукта
Вода	Земляника	Хурма	Куриное мясо
Электропроводность при 20°С, мкСм/см	86	267	382	1045
Электропроводность продукта на момент отключения поля, мкСм/см	5	5	5	5
Тип матрицы	Плоскостная	Плоскостная	Плоскостная	Объемная
Тип электродов	Точечные	Линейные	Плоскостные	Точечные
Расстояние между матрицами, мм	50	100	100	150
Шаг электродов, мм	10	10	10	10
Напряжение на электродах, кВт	1	2	2	3
Частота переменного поля, кГц	3	3	3	3
Геометрия областей электромагнитного поля	Конус	Конус	Конус	Конус
Циклическая частота перемещения областей, Гц	20	50	50	100
Тип морозильного устройства	Apach SH10	Apach SH10	Apach SH10	Apach SH10
Мощность морозильного устройства, кВт	1,6	1,6	1,6	1,6

Результаты экспериментов свидетельствуют о том, что ориентация вдоль силовых линий и вихревое (разнонаправленное ячеистое) движение дипольных молекул по замкнутым траекториям придают воде (Рис. 4) и другим водосодержащим продуктам питания (Рис. 5-7) свойство вязкости и препятствуют стремлению молекул занять энергетически выгодное место в узле гексагональной решетки льда.

При сопровождении процесса отвода тепла данным образом управляемым переменным электрическим полем вода в водосодержащих продуктах питания органического и неорганического происхождения замерзает без образования кристаллической решетки. Фактически, вода густеет и затвердевает под воздействием переменного электрического поля при снижении температуры от -2°С до -8°С.

Из Рис. 4 наглядно видно, что под воздействием электрического поля, температура охлаждаемой воды уменьшается быстрее, чем без воздействия, проходит температуру 0°С, затем плавно снижается до -2°С. При температуре от -2°С до -8°С вода постепенно твердеет без образования кристаллов. Затем температура экспоненциально снижается до -18,2°С. При этом в контрольной пробирке вода плавно охлаждается до 0°С, затем в течение 6 мин температура воды не меняется. В это время идет процесс кристаллизации. После завершения процесса кристаллизации температура вновь начинает снижаться.

Результаты замораживания продукта питания неорганического происхождения (воды) иллюстрируются физико-химическими свойствами воды, замороженной в контрольной пробирке и согласно предлагаемому в настоящем изобретении способом. Физико-химические свойства приведены в Таблице 2, дополненной свойствами незамороженной воды.

Таблица 2

Наименование показателя	Незамороженная вода (вода при 0,01°С)	Контрольная пробирка (обычный лед из воды при 0°С)	Бескристаллический лед из воды при 0°С
Плотность, кг/м3	999,8	916,2	1002,3
Теплоемкость, Дж/(кг град)	4212	2050	3513
Теплопроводность Вт/(м град)	0,560	2,22	0,65
Температура замерзания (твердения),град	0	0	-2 … -8
Теплота плавления (кристаллизации), кДж/кг	330	330	281

Анализ экспериментальных данных показывает, что физические характеристики бескристаллического льда резко отличаются от обычного льда. Прежде всего, плотность льда после твердения не падает (как у обычного льда), а возрастает. Это происходит в связи с уменьшением амплитуды колебательных движений молекул воды в бескристаллическом льде в сравнении с водой. Таким образом, бескристаллический лед тонет в воде, а не плавает, как обычный лед. Теплоемкость и теплопроводность бескристаллического льда ближе к характеристикам воды, чем к параметрам обычного льда. Это позволяет гораздо быстрее и эффективнее отводить от объекта замораживания тепло и, следовательно, быстрее и с меньшими затратами замораживать. Достижение электропроводности значения в 5 мкСм/см позволяет сделать вывод о завершении фазового перехода вода-лед и прекратить воздействие электрическим полем на продукт.

Радикальное отличие физических характеристик бескристаллического льда от обычного льда позволяет говорить об образовании стеклообразного льда, при этом бескристаллический лед получен при атмосферном давлении в объемах, соответствующих размерам продуктов питания.

Условия и результаты испытаний с водосодержащими продуктами питания органического происхождения приведены в Таблице 3.

Таблица 3

Наименование показателя	Земляника	Хурма	Мясо птицы (тушка курицы)
Вес продукта, кг	1,0	1,0	1,0
Процент содержания воды, %	91	89	66
Время охлаждения до 0°С под воздействием/без воздействия, мин	5/12	8/12	4/14
Время охлаждения до -15°С под воздействием/без воздействия, мин	23/44	40/61	42/64
Сокращение времени заморозки, мин / %	21/52,3	21/34,4	22/34,4
Срок хранения, мес	36	36	36

В экспериментах продукты питания подвергались замораживанию предлагаемым в настоящем изобретении способом, а также в каждой серии экспериментов были проведены контрольные опыты с обычным замораживанием соответствующего продукта питания. Все образцы, замороженные под воздействием неоднородного переменного электрического поля, хранятся уже на протяжении 36 месяцев, при этом выборочные проверки (путем размораживания единичных образцов), проводимые каждые полгода, показывают, что снижения их потребительских свойств и изменения физико-химических характеристик объектов замораживания не произошло.

Для иллюстрации результатов экспериментов приведен график температурной кривой фазового перехода при замораживании земляники (Рис. 5), хурмы (Рис. 6) и куриного мяса (Рис. 7). В образце продукта питания под воздействием электрического поля отсутствует зона постоянной температуры в районе 0°С, при этом температура продукта снижается более быстрыми темпами по сравнению с контрольным образцом. Таким образом, из Рис. 5-7 может быть сделан вывод, что при сопровождении процесса отвода тепла управляемым неоднородным переменным электрическим полем вода в водосодержащих продуктах питания замерзает без образования кристаллической решетки.

Также, было сопоставлено время, затраченное на замораживание водосодержащих продуктов питания органического и неорганического происхождения согласно настоящему изобретению, со временем замораживания контрольных образцов. Результаты сопоставления свидетельствуют о том, что время замораживания продукта питания сокращается на 34-45% (в зависимости от продукта) по сравнению с заморозкой того же продукта без воздействия неоднородного переменного электрического поля.

Проведенные испытания показали, что в результате осуществления предлагаемого способа замораживания продуктов питания органического и неорганического происхождения обеспечивается полное предотвращение образования кристаллов льда, быстрый и эффективный теплоотвод от продукта питания, длительное сохранение органолептических свойств и физико-химических характеристик объектов замораживания.

Анализ температурных кривых фазового перехода для различных продуктов показывает, что предложенный способ заморозки не только обеспечивает бескристаллическую структуру льда, но и дает существенную экономию затрат на заморозку. Эта экономия достигается за счет двух факторов: сокращения времени, необходимого для достижения заданной температуры хранения (в экспериментах -15°С, - 18,2°С, - 20°), а также за счет ускорения съема тепла с продукта питания (на графиках – больший угол наклона температурной кривой под воздействием электрического поля).

Таким образом, проведенные испытания показали, что предлагаемое изобретение обеспечивает достижение всех заявленных технических результатов.

1. Способ замораживания водосодержащих продуктов питания, характеризующийся тем, что включает в себя быстрое охлаждение продукта питания, которое начинают с одновременным созданием вокруг замораживаемого продукта питания неоднородного переменного электрического поля, при этом неоднородное переменное электрическое поле создается с помощью матриц электродов, а управление направлениями, скоростью и характером перемещений статичных градиентов напряженности электрического поля в каждой точке поля осуществляют посредством организации возвратно-поступательных циклов перемещения областей статичного градиента напряженности электрического поля вдоль горизонтальной плоскости охлаждаемого объекта, в течение всего периода фазового перехода вода-лед посредством включения потенциалов электродов на матрицах модулятора поля, управление направлениями, скоростью и характером перемещений статичных градиентов напряженности электрического поля организует циклическое движение диполей воды по замкнутым траекториям с образованием стеклообразного льда, не содержащего кристаллов, при этом воздействие неоднородным переменным электрическим полем осуществляют до момента завершения фазового перехода вода-лед, определяемого по снижению электропроводности продукта питания, а быстрое охлаждение продолжают до достижения продуктом питания температуры хранения, заданной в диапазоне от -15 до -20°С, при этом расстояние между матрицами модулятора поля от 50 до 150 мм, шаг электродов в матрицах модулятора поля составляет 10 мм, а циклическая частота перемещения областей статичного градиента напряженности электрического поля составляет от 20 до 100 Гц.

2. Способ замораживания по п. 1, отличающийся тем, что неоднородное электрическое поле создается с помощью плоскостных или объемных матриц модулятора поля.

3. Способ замораживания по п. 1, отличающийся тем, что электроды матриц модулятора поля могут быть точечными, линейными или плоскостными.

4. Способ замораживания по п. 1, отличающийся тем, что напряжение на электродах матриц модулятора поля от 3 до 70 кВт.

5. Способ замораживания по п. 1, отличающийся тем, что частота переменного поля от 1 до 20 кГц.

6. Способ замораживания по п. 1, отличающийся тем, что каждая смена направления перемещения статичных градиентов напряженности электрического поля сопровождается инверсией областей статичных градиентов электрического поля на 180 градусов.