整理范明月利用高电压脉冲电场技术对鱼骨加工利用的研究.docx

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整理范明月利用高电压脉冲电场技术对鱼骨加工利用的研究

为了有别于传统的忽视环境价值的理论和方法，环境经济学家把环境的价值称为总经济价值（TEV），包括环境的使用价值和非使用价值两个部分。

（3）环境影响评价中应用环境标准的原则。

3.建设项目环境影响评价文件的审查要求

市场价格在有些情况下（如对市场物品）可以近似地衡量物品的价值，但不能准确度量一个物品的价值。

三者的关系为：

2）按发布权限分。

环境标准按发布权限可分为国家环境标准、地方环境标准和行业环境标准。

（6）生态保护措施能否有效预防和控制生态破坏。

（三）环境影响评价的原则

（6）评价结论。

影响支付意愿的因素有：

收入、替代品价格、年龄、教育、个人独特偏好以及对该环境物品的了解程度等。

（4）预防或者减轻不良环境影响的对策和措施的合理性和有效性；

哈尔滨理工大学

课程设计

题目：

利用高电压脉冲电场技术对鱼骨加工利用

院、系：

电气与电子工程学院

姓名：

范明月

学号：

1220300036

指导教师：

郑殿春

2013年5月20日

摘要

本研究以鱼骨为研究对象，把高电压脉冲电场技术应用到酸法水解鱼骨过程中，展开大量试验研究。

并利用所制得的鱼骨水解液在产品开发上开展了部分研究。

具体得出以下结论：

1）利用高电压脉冲电场作用于鱼骨酸解反应，所得水解液钙的溶出率和蛋白质的水解度均明显高于单纯酸解6h所制得的水解液。

由于高电压脉冲电场的作用是在几十毫秒内完成的，故此方法与单纯酸解法相比，具有高效、快速的优点。

2）通过单因素试验，筛选适宜的试验条件并确定显著因素的大概范围。

发现采取酸料比（总酸与鱼骨粉的质量比）为1：

1，加水量（相对于鱼骨粉质量）为10倍为较适宜的试验条件；脉冲数对鱼骨粉水解效果的影响为：

钙的溶出率和蛋白质水解度均随着脉冲数的增加而增大；电场强度对鱼骨粉水解效果的影响为：

当电场强度在25kv/cm以下时，钙的溶出率和蛋白质水解度均随着电场强度的升高而增大；当电场强度超过25kv/cm时，钙的溶出率和蛋白质水解度均随着电场强度的升高而减小。

3）通过正交试验和结果分析得出，影响鱼骨水解效果的3个因素中（电场强度、脉冲数、柠檬酸与苹果酸的配比），以电场强度的影响最大，其次是脉冲数，混合酸中柠檬酸与苹果酸的配比的影响最小。

4）通过试验确定鱼骨营养口服液最佳稳定剂配方为：

得出了最佳的参数组合：

脉冲数=6，场强=25kv/cm，混合酸中柠檬酸与苹果酸配1：

1。

在该试验条件下钙的溶出率为83.86%，蛋白质水解度为45.03%，黄原胶0.1%、CMC-Na0.1%。

5）所制得的口服液澄清透明，呈淡黄色；酸甜适口，口感醇和。

其中含有钙5028mg/L，蛋白质19.1%，硫酸软骨素16.05mg/L。

蛋白质中氨基酸组成平衡，赖氨酸含量高，并含有一定数量的脂肪酸和保健功能极佳的硫酸软骨素，营养价值很高，是理想的补钙剂和蛋白质补充剂。

关键词　高电压脉冲电场（PEF）；鱼骨；酸解；口服液；钙；蛋白质

TheStudyofPolymerFlameRetardants

Abstract

Thistookthefish-boneasstuduobject.Bythemeanofwhichwasself-madeApllythehighintensitypulsedelectricfields（PEF）techniqueintotheacidstandardhydrolyzecourseoffishbone,outspreadagreatdealtentativelyinvestigate.Equally,progresspartinvestigateonmanufactureexploitureoffishbonehydrolyzeliquid.Theconclusionsareasfollows:

1）UsingHighintensitypulsedelectricfields（PEF）actonfishboneacidstandardhydrolyzecourse,discoverthatthecomeoutrateofcalcicandthecomeoutrateofproteinoftheearninghydrolyzeliquidbothwereevidencehypertheearninghydrolyzeliquidofsimplyacidstandardhydrolyze.InvirtueofthattheactionofPEFwascompletdidwithinafewdecadesmillisecond,sothismethodbeprovidedwiththecharacteristicofhigh-efficiencyandclippingcomparewithsimplyacidstandardhydrolyze.

2）Bythesinglefactorexperiment,itwasfoundthatthequitefeasibleexaminationconditionistheproportionoftotalacidqualityandfishbonedustis1:

1,theaccessionqualityofwateris10timesofthequalityoffishbonedust.Andalsofoundthattheeffectoffishbonedusthydrolyzewasincreasedalongwiththeincreaseofpulsenumber.Theeffectoffishbonedustbyfieldstrengthwasthat,Whenitwaslessthan25kv/cm,thecomeoutrateofcalcicandthecomeoutrateofproteinoftheearninghydrolyzeliquidbothwereincreasedwiththeincreaseoffieldstrength,butwhenitwasmorethan25kv/vm,theyweredecreasedwiththeincreasefieldstrength.

3）Itwasfoundthatthefactorofaffecttheeffectoffishbonedusthydrolyzegreatestwasfieldstrength（A）,anditwasthenotablefactorwhoselevelofsignificancewas0.01;Thenextoneispulsemumber（B）,anditwasalsothenotablefactorwhoselevelofsignificancewas0.05;thelastonewastheproportionbetweencitricacidandmalicacidinmix-acid（A）,andit’slevelofsignificancewasalso0.05ThebestcombinationwasA3B3C1,namely,pulsenumber:

6,fieldstrength:

25kv/cm,proportionbetweencitricacidandmalicacidinmix-acid:

1:

1.

4）Itwasconfirmbyexanminationsthatthebestdirectionsforthestabilityoffishbonealimentationtakeorallyliquidis:

xanthicacid0.1%,CMC-Na0.1%。

5）fishbonealimentationtakeorallyliquidwasclearandclarity,canary,flavorgodowneasily,Thereintocontaincalcium5028mg/L,19.1%ofproteinandchindroitinsulfate（Chs）16.05mg/L.

Keywords:

Highintensitypulsedelectricfields（PEF）fishboneacidstandardhydrolyzetakeorallyliquidcalciumprotein

摘要

Abstract

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第1章绪论

1.1选题的目的和意义

1.1.1问题的提出

我国淡水鱼产量居世界首位，并呈现上升趋势[1]。

而我国水产品的加工利用仍是薄弱环节。

除鲜销及少量冷冻冷藏外运，淡水鱼的加工品仅占其总产量的3%左右[2~3]，加工量比例较低，且加工技术含量低，高附加值产品少；废弃物综合加工利用水平不高；其中很有价值的成分尚未充分提取和利用[4]。

对于合理利用鱼类资源，提高鱼类加工品的经济效益，满足国民经济发展的需要都具有重要意义[5]。

因此鱼加工废弃物的开发利用越来越受到重视，吸引了化学化工、食品、生物、医药、环境保护等众多领域的学者[6]。

骨头是各种畜、禽动物的有机组成部分，含有极其丰富的钙、磷、镁等矿物质，其蛋白质和脂肪的含量同肉的成分很相似[7]。

鱼骨（鱼头骨和鱼中骨）中除含有上述营养成分外，还含有硫酸软骨素[8]和ω-3多元不饱和脂肪酸（EPA、DHA）这两种特殊成分。

其中，硫酸软骨素用途广泛，可用做药物，主要用在治疗头痛、偏头痛、冠心病、心绞痛等的药物中[9-10]。

因此，充分利用丰富的鱼骨资源和营养价值，开发生产出“营养化”、“特色化”、“系列化”、“礼品化”的骨头食品，具有重要的社会效益和经济效益。

1.1.2本文的目的[11]

本研究以高电压脉冲电场技术结合有机酸法对淡水鱼加工中的下脚料——鱼骨（鱼头骨和鱼中骨）进行加工利用，制得鱼骨水解液，并利用此水解液开发具有补钙、健脑、预防心脑血管疾病、血栓症、预防动脉硬化、调节血压、降低血液黏度、促进血液循环、辅助治疗神经性头痛、神经痛、关节痛、痛风，风湿等疾病，缓解疲劳综合症等一系列功效的口服液。

1.1.3本文的意义

随着物质生活水平的不断提高，人们对食品的营养性、健康性的要求越来越高，特别是中老年人对于保健食品的需求量越来越大，因此具有较高保健功能的食品市场前景广阔。

本文不仅为鱼骨的综合利用提供了新技术，同时也为鱼骨的加工利用提供了新的具有更高。

附加值的加工途径。

既为鱼骨的加工利用带来经济效益，作为高电压新技术的一个应用领域，这也为高电压脉冲电场技术的应用推广奠定了理论基础。

1.2鱼骨的概述

1.2.1基本结构

骨质实际上由胶原蛋白基质组成，之间有磷酸钙以羟基磷灰石的形式附着在其中。

1.2.2主要功效成分及其生理功效

1.2.2.1钙

鱼骨中含有大量的钙。

钙，是人体组成的重要元素，人体中99%的钙都储存在硬组织，即骨骼和牙齿中，其余1%分布在血液、肌肉和其他组织中。

骨骼中的钙是骨矿物质的重要成分，使骨骼具有一定的强度，起到对身体的支撑作用[12]。

钙是生命的起动剂，代谢的调节剂；钙盐是人体含量最多的一种无机盐；钙对于骨骼和牙齿的形成、正常心跳的维持、神经活动的传导（兴奋和抑制）、肌肉的收缩、血液凝固、细胞膜的物质交换、能量转换、信息传递功能的维护、体液酸碱平衡的调节、基因的稳定（酶活性）等重要生命活动，都有着极为重要的作用[13]。

1.2.2.2胶原蛋白

胶原蛋白是结缔中最重要的蛋白质，它存在于动物的骨、皮和结缔组织中。

据估计，它占人体总蛋白含量的大约1/3。

胶原蛋白作为一大类蛋白质,在生物体内起着重要的作用，具有很多独特的生化性质和生理功能，如①胶原具有良好的细胞适应性、细胞增殖、促进伤口愈合作用；②止血功能，胶原的天然结构使其具有良好的凝聚能力，能促进血小板凝聚和血浆结块；③较低的抗原性；④可生物降解性；⑤促进骨的形成；⑥增强皮肤代谢作用等，因此广泛地应用于食品、化妆品、营养保健品、生物肥料以及医用材料等领域[14]。

1.2.2.3硫酸软骨素

硫酸软骨素是一种酸性黏多糖——糖胺聚糖，有多种异构体，硫酸软骨素为白色粉末，无臭无味，吸水性强，易溶于水而成黏度大的溶液，不溶于乙醇、丙酮和乙醚等有机溶剂，其盐类对热较稳定，受热达80℃亦不被破坏。

游离硫酸软骨素水溶液遇较高温度不稳定，主要是乙酰基被水解，从其结构上脱落下来。

在酸性溶液中易水解成单糖体或较小的多糖体。

自然界中的硫酸软骨素多存在与动物的软骨、喉骨、鼻骨（猪含41%）、牛、马中膈和气管（含36%—39%）中，其他如腿骨、韧带、皮肤、角膜等组织中也含有。

鱼类软骨中含量很丰富，如鲨鱼骨中含50%—60%，结缔组织中含量很少。

腔肠动物、海绵动物、原生动物也含有硫酸软骨素。

硫酸软骨素作为结缔组织的重要组成部分，具有多种药理作用与生理功能。

硫酸软骨素的多种药理作用与生理功能使其广泛应用于药品和保健食品领域[15]。

1.3研究现状

1.3.1目前国内外鱼骨加工利用的现状

水产食品加工过程中会产生大量的废弃物，如虾、蟹的头、壳、尾，鱼的皮、鳞、骨、刺、内脏等。

这类废弃物中水分和脂肪含量高，难以运输，极易腐败变质而污染环境。

因此，必须及时就地处置。

但是，这类废弃物中尚含有较丰富的营养物质和有用成分，有些组分甚至还有一定的功能特性和生理活性，因而是一类重要的生物资源。

近几十年来，国内外学者对此类资源的开发和利用一直比较关注。

秘鲁将鱼皮、鳞、骨、刺等一块儿利用，先用有机酸溶液处理并将其软化，再用碱性溶液中和后经过提取浓缩、脱色脱臭的工序，最终生产出无色无味的胶凝状胶原蛋白，可广泛用于食品、医药、化妆品、保健品中，一般每10吨废弃物可提取3吨成品，提取胶原蛋白后的废渣仍可用于动物饲料。

鱼骨中含有相当丰富的钙质，且钙、磷比合理，制成钙剂，易于人体吸收。

在日本，把狭鳕鱼的骨头制成磷灰石，可以作为人造骨骼和假牙，狭鳕鱼粉的价格仅为每公斤80日元左右，制成磷灰石后销售价格每公斤为5万日元左右，变废弃物为贵重商品，有点石成金之感[16]。

1981年日本贸易振兴会推出超微粒粉碎新技术设备，确立了生产骨糊的流水线，先后有鱼骨制品——骨松、骨味素、骨味汁、骨肉等问世[17~18]。

我国的水产品总量占世界的三分之一左右，居世界第一位。

近几年来，我国的渔业生产发展很快，尤其是淡水鱼养殖生产的发展更为迅速[19]。

2004年，我国水产品总量为4901.77万吨，其中淡水产品产量为2133.98万吨[20]。

在我国，鱼骨（鱼头骨和鱼中骨）的加工利用主要包括：

（1）加工成骨糊食品；

（2）生产调味品（鱼露等）；（3）制成鱼骨粉钙剂或复合氨基酸钙剂；（4）制成膨化食品鱼香酥；（5）制成香酥鱼骨食品；（6）生产动物饲料。

但是，这些加工利用途径存在能耗大，经济效益较低等缺点[21]。

1.3.2国内水解骨蛋白的研究进展

赵胜年等（1995）[22]进行了酶法水解鲜牛骨骼的研究，采用胰酶进行水解反应，确定了最适酶解条件；何建军等（1997）[23]以小杂鱼和链鱼下脚料为原料，加酶分解蛋白质，并行恒温发酵，研制了淡水鱼露（fishsauce），比传统方法生产周期短，产品盐份低，产品得率高；陶妍等（1997）[24]采用中性蛋白酶对鲢鱼加工废弃物进行酶解，确定水解的最佳工艺参数并测定了水解物的乳化性和粘度，表明水解产物具有一定的功能特性，适合在食品加工中应用；周涛（1998）[25]运用木瓜蛋白酶酶解鲐鱼头骨等加工废弃物，确定了最佳水解条件，并选用不同颗粒大小的活性炭对水解液进行脱色，制得营养价值高、水溶性好的蛋白水解物，可作为理想的蛋白质强化剂；刘红（2000）[26]运用中性蛋白酶水解废弃鱼头，制得香味浓郁、红褐色的水解液；余杰、陈美珍（2001）[27]运用中性蛋白酶和木瓜蛋白酶，对酶解鳗鱼头的最适工艺条件进行了详细研究，采用粉末状活性炭进行脱苦、脱色，并研制出一种味道鲜美的高级海鲜风味料；赵玉红等（2001）[28]以鳝鱼副产物为酶解底物，研究了碱性蛋白酶的浓度、温度和pH对蛋白质回收率的影响，确定了碱性蛋白酶水解鳝鱼副产物的最佳工艺条件；王朝旭等（2001）[29]采用胰蛋白酶对鲜猪骨进行了酶法水解的研究，确定了酶解最佳条件；赵霞（2004）[30]对羊骨蛋白的水解利用进行了研究，确定了最优酶解条件并开发了羊骨多肽饮料。

目前，用于骨水解的技术方法主要有：

酸法、碱法和酶法。

单纯酸法和碱法水解需要的反应时间较长，对营养成分破坏较严重；酶法由于酶的价格昂贵，加工成本过高。

可见，这三种方法都有各自的弊端。

因此使用高电压新技术对其进行研究，可达到理想效果。

1.4高电压新技术的优点分析

高电压脉冲电场技术作为一种新兴的非热加工技术在食品工业中目前主要应用在液态食品（如饮料、牛奶等）的杀菌[31]，具有处理时间短、能耗低等优点，亦有少数研究者进行了高电压脉冲电场钝化酶的研究、利用高电压脉冲电场处理肿瘤细胞的实验研究以及利用高电压脉冲电场提取有效成分的研究。

本文将高电压脉冲电场技术应用到鱼骨酸解过程中，是一种新的尝试。

目前国内外应属新兴产业探索。

1.5本文主要研究的内容

通过查阅大量文献资料了解淡水鱼鱼骨加工利用的国内外发展动态，以高电压脉冲电场作为主要技术手段在鱼骨的加工利用方面开展研究。

具体涉及以下内容：

1）通过单因素实验，确定影响鱼骨水解的主要因素及水平；

2）通过正交试验和二次通用旋转组合设计，确定电场的最佳工艺参数；

3）通过单因素及正交试验，给出鱼骨营养口服液最佳配方。

第2章高电压脉冲电场处理系统

高电压脉冲电场（HighIntensityPulsedElectricFields,简称PEF或HIPEF）是把液态食品作为电解质置于容器内，与容器绝缘的两个放电电极通过高压电流，产生电脉冲进行作用的加工方法[32]。

二十世纪后期，很多研究者对液态食品的非热杀菌进行了研究，认为高电压电脉冲电场可以用于对可泵食品的非热杀菌，并具有处理时间短、能耗低等优点。

高电压脉冲电场因此而受到北美、日本及欧洲的研究人员和食品工业的关注[33]。

许多研究者进行了PEF杀菌条件、参数以及分析模型及机理的研究和在其它方面应用的实验研究。

分析模型的研究有：

脉冲电场引起的Lactobacillusplantarum的失活动力学模型[34]；脉冲电场（PEF）连续流处理室中温度升高的模拟[35]；在模拟食品系统中脉冲电场处理时的电场—流体耦合模型[36]；由脉冲电场处理引起的食品材料电击穿的模拟和实验研究[[37]。

目前高电压脉冲电场技术的应用研究主要集中在对液态食品（如饮料、牛奶等）的杀菌[38]。

亦有少数研究者进行了高电压脉冲电场钝化酶的研究、利用高电压脉冲电场处理肿瘤细胞的实验研究以及利用高电压脉冲电场提取有效成分的研究。

然而，到目前为止，未见报道将高电压脉冲电场技术应用到鱼骨酸解过程中，本文利用高电压脉冲电场系统，对在高电压脉冲电场作用下鱼骨的酸解进行了研究，发现，高电压脉冲电场对鱼骨酸解的影响十分显著。

2.1处理装置基本结构

高电压脉冲电场系统[39]（如图2-1，图2-2），脉冲电源的波形为三角波，频率10~5000赫兹可调。

其中高电压脉冲电源、示波器和处理室是工作部件，示波器用来测量脉冲电压、电流及其波形。

高电压脉冲电源产生的脉冲作用于处理室内的电极上，从而对流经处理室的物料进行处理。

系统的工作流程是：

物料在泵的作用下进入处理室，通过示波器指示波形、电压及电流，在处理室得到处理后流到收集容器。

图2-1高电压脉冲电场处理装置原理图

图2-2高电压脉冲电场电源实物图

2.2高电压脉冲电场获得方法

高电压脉冲电场的获得有两种方法[40]：

一种是利用LC振荡电路的原理，先用高压电源对一组电容器进行充电，将电容器与一个电感线圈及处理室的电极相连，电容器放电时产生的高频指数脉冲衰减波即加在两个电极上形成高电压脉冲电场。

由于LC电路放电极快，在几个至几百个微秒内即可以将电场能量释放完毕，利用自动控制装置，对LC振荡电路进行连续充电与放电，可在几十微秒内完成所需处理。

另一种是利用特定的高频高压变压器来得到持续的高电压脉冲电场。

因为变压不变频，使变压器内部的电磁场的能量难以转化，高电压又使磁芯发生涡流。

用这种原理制作大型设备将会有很多困难。

下面所提到的均指LC振荡电路。

电容器放置于电极板上时，处理室的几何形状对所得到的电场有很大影响。

放电时电容器将积蓄的电荷释放到极板上，在电极板上建立电场，当电荷释放完毕后，极板上的电场反过来对电容器进行反向充电，下一周期电容器放电则在极板上建立反向电场。

每次建立电场过程中能量都会消耗一部分到极板间的介质中。

所产生的电场为呈指数规律衰减的高频振荡波，每次放电一般振荡几十次，电容器能量释放完。

当外加电压不变时，极板间的距离决定电场的电压，距离越近，电场强度越高。

极板的电导率高，电荷积蓄快，可以使振荡波指数衰减速率变慢，波形变得平缓，从而形成更加持久与稳定的脉冲波。

极板面积大，分布在介质中的电场就比较均匀。

介质的电导率则相当于在LC振荡电路中串联了一个大的电容，因f∝1/（2πlc）,导致脉冲频率增加，相应的每个脉冲波的宽度下降。

2.3食品处理室

处理室有静态及连续式两种[41]，连续式可工业化生产。

食品在处理室内受到高电压脉冲电场作用时，要避免电火花的产生。

一旦产生电火花，电极就会被腐蚀，食品被电解，产生气泡。

因此，在设计食品处理室时，应着重解决好以下问题:

电极表面要尽可能光滑以减少电子的逸出,采用圆形电极以避免电场集中，为食品提供一个均匀的高电压脉冲电场。

集中电场式处理装置的上下两端为不锈钢电极，一端接高电压脉冲电源，另一端接地，绝缘层材料选用聚异丁烯酸树脂。

由于绝缘体中心孔内液体食品的电阻远大于其他部分的电阻，所以在绝缘体中心孔形成集中电场，其电场强度远大于其他部分电场强度。

因此，绝缘体中心孔区是杀菌区域。

而电极附近的电压相对较低，这样就起到了保护电极的作用。

图2-4食品处理室结构简图

2.4电场参数计算

1）处理室体积V，mm3

V=πr2h（2-1）

其中r—处理室半径，mm

h—处理室长度，mm

2）处理室内花费时间t，s

t=V×10-3/q（2-2）

其中q—流量，ml/s

V—处理室体积，mm3

3）脉冲数C

C=tf（2-3）

其中t—处理室内花费时间，s

f—频率，Hz

2.5PEF技术在食品工业中