CZ2019366A3

CZ2019366A3 - Zařízení a způsob pro úpravu potravin pulzním elektrickým polem

Info

Publication number: CZ2019366A3
Application number: CZ2019-366A
Authority: CZ
Inventors: Jiří Blahovec; František Kumhála; Jakub Lev; Pavel Kouřím; Bohuslav Jošt
Original assignee: Česká zemědělská univerzita v Praze
Priority date: 2019-06-12
Filing date: 2019-06-12
Publication date: 2020-11-18
Also published as: CZ308548B6

Abstract

Předkládané řešení poskytuje zařízení pro úpravu potravin, které obsahuje zdroj střídavého napětí a alespoň dvě kontaktní elektrody (8, 9), přičemž každá kontaktní elektroda je rozčleněna do několika segmentů (11), a zařízení dále obsahuje řídicí jednotku (6) ovládající zdroj střídavého proudu a řídicí přivádění proudu na segmenty elektrod. V konkrétním provedení je popsáno zařízení obsahující oddělovací transformátor (1), usměrňovací modul (2), baterii (3) kondenzátorů, proudovou sondu (4), generátor (5) střídavého napětí, řídicí jednotku (6), relé pole (7) a kontaktní (pulzovací) elektrody (8, 9) rozdělené na segmenty (11). Předkládané řešení dále poskytuje způsob úpravy potravin s využitím uvedeného zařízení.

Description

Zařízení a způsob pro úpravu potravin pulzním elektrickým polem

Oblast techniky

Vynález se týká zařízení pro domácí úpravu potravin, zejména ovoce a zeleniny, k přímé konzumaci nebo kulinářskému zpracování. Zařízení pracuje na principu využití pulzního elektrického pole k poškození některých buněčných membrán, a tedy k uvolnění převážné části buněčných tekutin, čímž se mění textura a stravitelnost potraviny bez ztrát biologicky aktivních látek.

Dosavadní stav techniky

Jednou z možností úpravy potravin je využití pulzního elektrického ohřevu při nižších teplotách (teploty se pohybují pod 42 °C, takže je taková úprava potravin vhodná i pro vyznavače tzv. raw stravy). Tak lze zachovat účinnost všech zdraví prospěšných látek. Energetická náročnost celého procesu úpravy potravin navíc může být nižší než při konvenčním zpracování.

Princip pulzního elektrického ohřevu či zpracování je znám, a zároveň je předmětem velmi intenzivního základního i aplikovaného výzkumu. V posledních několika letech nachází uplatnění v oblasti potravinářského zpracovatelského průmyslu. Pulzního elektrického pole lze využít například k deaktivaci biologické kontaminace tekutin, jak je navrhováno například v patentu US 6746613 B2. Podobné využití pulzního elektrického pole popisuje také dokument EP 2543254 AI společnosti Nestlé, která jej využívá k inaktivaci bioaktivních složek v mléce během pasterizace za účelem jeho konzervace.

Jsou již ale také známé systémy, které slouží k aplikaci pulzního elektrického pole na víceméně tuhé potravinářské výrobky, jako je např. maso nebo zelenina, včetně brambor. Příkladem může být dokument WO 2011/139144 AI, který popisuje metodu a systém pro takovéto zpracování.

V současnosti kolem 10 společností ve světě vyrábí zařízení umožňující elektrické pulzní aplikace v oblasti potravinářství. Aplikace v oblasti kulinářství a kuchyně vůbec jsou však stále ojedinělé a nemají spotřební charakter. Sem je možné zařadit holandskou firmu IXL Netherlands B.V. Netherlands (www.innovation-xl.com), jejímž nízkonapěťovým produktům ale chybí schopnost přímého elektrického poškození buněčných membrán. Tento princip je chráněný např. americkým patentem US 9565869 B2.

Vysokonapěťové aplikace narážejí na výkonnostní a bezpečnostní omezení v domácnostech, která brání jejich širšímu zavádění k malospotřebitelům.

Stále tedy přetrvává potřeba vývoje takového řešení, které by bylo možno použít v běžném kuchyňském provozu.

Podstata vynálezu

Předkládaný vynález řeší uvedený úkol poskytnutím zařízení pro úpravu potravin, které obsahuje zdroj střídavého napětí a alespoň dvě kontaktní elektrody, přičemž každá kontaktní elektroda je rozčleněna do několika segmentů, a zařízení dále obsahuje řídicí jednotku ovládající zdroj střídavého napětí a řídicí přivádění napětí na segmenty elektrod.

Zásadním přínosem tohoto zařízení je rozčlenění kontaktních elektrod do několika segmentů. To umožňuje rozdělit požadovaný příkon rovnoměrněji v čase, a navíc automaticky regulovat účinnost pulzního procesu v menších objemech zpracovávaného materiálu. Upravovanou potravinu lze díky

-1 CZ 2019 - 366 A3 segmentaci elektrod podrobit působení pulzního elektrického pole postupně, čímž lze dosáhnout dostatečného zpracování potraviny při podstatně nižší velikosti použitého elektrického proudu.

Elektrická vodivost G (S) materiálu (potraviny) se spočítá podle vzorce:

S c = y._? kde Tjc konduktivita (S.m¹), Sje průřezová plocha materiálu (m²) a / je jeho délka (m).

Procházející elektrický proud I (A) pak lze vypočítat podle vzorce:

I=U*G kde U je elektrické napětí (V) a G elektrická vodivost (S).

Po dosazení platí vztah:

S

Protože v tomto vztahu je plocha S v čitateli zlomku, je procházející proud přímo úměrný této ploše. Jestliže se tato plocha sníží n-krát (například rozdělením elektrody na n segmentů), je nutná velikost proudu k dosažení efektu destrukce buněčné membrány v potravině (jako opulzovávaném materiálu) rovněž n-krát menší. Protože doba pulzu je velmi krátká (v řádu milisekund), lze s výhodou použít pulzování po jednotlivých segmentech elektrody. Doba opulzování materiálu vloženého mezi elektrody s n segmenty je i v případě pulzování po jednotlivém segmentu velmi krátká, ale nutná hodnota elektrického proudu potřebného pro opulzování je přitom n-krát menší.

Ve výhodném provedení jsou segmenty alespoň jedné kontaktní elektrody uloženy pružně, což usnadňuje kontakt s upravovanou potravinou a zvyšuje plochu kontaktu s upravovanou potravinou. Výhodněji jsou pružně uloženy segmenty zemnící kontaktní elektrody.

Dalším zásadním přínosem zařízení je využití zdroje střídavého proudu. Dosud známá zařízení pro úpravu potravin pulzním elektrickým polem využívají stejnosměrného proudu. Při využití střídavého proudu dochází k polarizaci v materiálu, a tím ke znečištění elektrod v mnohem menší míře, ve srovnání s využitím stejnosměrného proudu.

S výhodou zařízení dále obsahuje proudovou sondu tvořenou například odporem o malé impedanci, na kterém se měří úbytek napětí. Z této informace lze odvodit hodnotu elektrického proudu při pulzování. Proudová sonda dovoluje řídicí jednotce samočinně regulovat účinnost pulzování a ukončit pulzování na základě překročení předem dané mezní velikosti protékajícího proudu (znamenající úplné či požadované rozrušení buněčných membrán v potravině) nebo na základě již se dále nezvyšující velikosti protékajícího proudu (znamenající úplné rozrušení buněčných membrán v potravině).

Zdroj střídavého napětí může zahrnovat oddělovací transformátor, s ním spojený usměrňovači modul, a s ním spojenou baterii kondenzátorů, připojenou na generátor střídavého napětí. Generátor střídavého napětí a baterie kondenzátorů mohou být spojeny přes proudovou sondu. V takovém případě je zařízení napájeno ze sítě prostřednictvím oddělovacího transformátoru, který snižuje napájecí napětí a dále chrání napájecí elektrickou síť od rušení. V usměrňovacím modulu je následně napájecí napětí usměrněno tak, aby jím bylo možné nabíjet baterii kondenzátorů. Baterie kondenzátorů je tvořena několika paralelně zapojenými kondenzátory. Ty shromažďují elektrický náboj, který je následně použit pro pulzování.

- 2 CZ 2019 - 366 A3

Generátor střídavého napětí může být tvořen h-můstkem, který velmi rychle (např. s frekvencí 10 kHz) přepíná plus a mínus. Na začátku je h-můstek uzavřen a v připojeném obvodu je tedy nulové napětí. Řídicí modul vyšle signál, jehož délka odpovídá délce pulzu, načež h-můstek začne vysílat střídavé (pulzovací) napětí po dobu přijímání signálu. H-můstek je plně ovládán řídicí jednotkou.

Řídicí jednotka může být tvořena programovatelným mikrokontrolerem, který přijímá analogový signál z proudové sondy a ovládá generátor střídavého napětí, tedy začátek a konec každého pulzu. Dále řídicí jednotka ovládá přivádění napětí na segmenty elektrod. K tomuto účelu může zařízení obsahovat relé pole, v němž řídicí jednotka přepíná relé, a tím určuje segment kontaktní elektrody, do kterého bude odeslán pulz. Relé poleje tvořeno počtem relé, odpovídajícím počtu segmentů, na který jsou rozděleny pulzovací elektrody. Sepnutím určitého relé je určen ten segment pulzovací elektrody, na který bude přivedeno napětí.

Řídicí jednotka také může být s výhodou upravena pro samočinné ovládání konce pulzování v jednotlivých segmentech. Při prvním pulzu v každém ze segmentů se do paměti řídicí jednotky zapíše hodnota protékajícího proudu. V následujících pulzech se sleduje nárůst hodnoty protékajícího proudu. Pokud stoupne v některém ze segmentů nad definovanou mez, pulzování v daném segmentu se ukončí, protože buněčné membrány v potravině zpracovávané v daném segmentu jsou již definovaně porušeny. Pulzování je rovněž ukončeno tehdy, když se průtok proudu daným segmentem po určitou dobu již nezvyšuje.

Zařízení podle předkládaného vynálezu tedy v některých provedeních obsahuje oddělovací transformátor, usměrňovači modul, baterii kondenzátorů, proudovou sondu, generátor střídavého napětí, řídicí jednotku, relé pole a kontaktní (pulzovací) elektrody rozčleněné do několika segmentů.

Dále je předmětem vynálezu způsob úpravy potravin, zejména ovoce a zeleniny, při němž se upravovaná potravina vloží mezi kontaktní elektrody, a následně se ze zdroje střídavého napětí na jednotlivé segmenty elektrod přivádí střídavé pulzy napětí, které prochází potravinou a podílí se na rozrušení buněčných membrán v potravině. S výhodou se pulzní napětí přivádí vždy najeden segment kontaktních elektrod.

Úpravou potravin se zde rozumí rozrušení buněčných membrán v potravině, vedoucí ke změně textury potraviny a ke zvýšení její stravitelnosti, bez tepelného ohřevu.

Objasnění výkresů

Vynález je blíže osvětlen pomocí obr. 1, na kterém je blokové schéma uspořádání kuchyňského pulzního elektrického procesoru s dělenou selektivní automatickou regulací procesu, a obr. 2, na kterém je graf ukazující vliv opulzování mrkve (tj. rozrušení buněčných membrán v mrkvi) na množství vylisovatelné šťávy v porovnání s mrkví nepodrobenou opulzování.

Příklady uskutečnění vynálezu

Příklad 1: Konstrukce zařízení

Zařízení podle tohoto příkladu je znázorněno na obrázku 1. Upravovaná potravina 10 je vložena mezi pracovní kontaktní (pulzovací) elektrodu 8 a zemnicí kontaktní (pulzovací) elektrodu 9, které jsou rozčleněné na stejný počet segmentů 11. Potravina 10 je mezi segmenty 11 elektrod vložena tak, aby sejí segmenty 11 po co největší ploše dotýkaly. To je zajištěno individuálním odpružením segmentů 11 zemnicí kontaktní elektrody 9 a přitlačením obou elektrod 8 a 9 k sobě.

-3CZ 2019 - 366 A3

Napájecí napětí kuchyňského pulzního elektrického procesoru je z běžné elektrické sítě. Toto napětí je nejprve v oddělovacím transformátoru 1 sníženo, přičemž oddělovací transformátor 1 zároveň chrání elektrickou síť od rušení způsobeného přístrojem. Napětí přicházející z oddělovacího transformátoru 1 je následně usměrněno usměrňovacím modulem 2 tak, aby mohlo být použito k nabíjení baterie 3 kondenzátorů. Mezi baterií 3 kondenzátorů a generátorem 5 střídavého napětí je umístěna proudová sonda 4, pomocí které se měří velikost procházejícího proudu. Generátor 5 střídavého napětí mění stejnosměrné elektrické napětí z baterie 3 kondenzátorů zpět na střídavé napětí, které je následně použito pro vlastní pulzování. Řídicí jednotka 6 ovládá generátor 5 střídavého napětí. Na základě naprogramovaného algoritmu a příjmu signálu z proudové sondy 4 určuje řídicí jednotka 6 začátek a konec pulzování, a dále ovládá přepínání +/- a přepíná proud prostřednictvím relé pole 7 na jednotlivé segmenty 11 pracovní kontaktní elektrody 8.

Příklad 2: Zpracování potraviny (mrkve)

Pro ilustraci zlepšení stravitelnosti potravin lze doložit lepší extrakci šťávy z opulzované mrkve oproti mrkvi neopulzované na obrázku 2.

Byly připraveny vzorky mrkve válcového tvaru o průměru 5,8 mm a výšky 5 mm. Tyto vzorky byly vloženy mezi elektrody a ošetřeny elektrickým pulzem o maximálním střídavém napětí 200 V (tomu odpovídá intenzita elektrického pole 400 V/cm), frekvenci 20 kHz a délce 10 ms. Takto zpracované vzorky byly vyjmuty a podrobeny testu extrakce šťávy.

Z obrázku 2 je zřejmé, že hmotnost opulzovaného vzorku (s porušenými buněčnými membránami) se za 18 minut extrakce sníží na méně než 30 %, což znamená, že z něj bylo extrahováno 70 % celkové hmotnosti jako šťáva. Jestliže za stejných podmínek probíhá extrakce šťávy ze vzorku neopulzovaného, získá se za stejný čas pouze asi 15 % hmotnosti jako šťáva. Šťáva, ve které jsou obsaženy zdraví prospěšné látky (především vitamíny), je tak z opulzovaného vzorku organizmem lépe využitelná než ze vzorku neopulzovaného.

Průmyslová využitelnost

Vynález lze použít ke kuchyňské kulinářské přípravě ovoce a zeleniny. Takto upravené potraviny se vyznačují tím, že mají zachovány všechny zdraví prospěšné látky, především vitamíny. Díky porušení buněčných membrán se navíc v lidském těle lépe vstřebávají. Vynález lze použít prakticky v každé kuchyni, a to jak v domácnosti, tak např. v restauracích.

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Zařízení pro úpravu potravin pulzním elektrickým polem, obsahující řídicí jednotku, zdroj pulzního elektrického napětí a alespoň dvě kontaktní elektrody, vyznačující se tím, že zdrojem pulzního elektrického napětí je zdroj střídavého napětí; tím, že každá kontaktní elektroda (8, 9) je rozčleněna do několika segmentů (11); atím, že řídicí jednotka (6) je upravena pro ovládání zdroje střídavého napětí a pro řízení přivádění napětí na segmenty (11) elektrod.
2. Zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že segmenty (11) alespoň jedné kontaktní elektrody jsou uloženy pružně.
3. Zařízení podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že dále obsahuje proudovou sondu (4).
4. Zařízení podle kteréhokoliv z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že zdroj střídavého napětí zahrnuje oddělovací transformátor (1), sním spojený usměrňovači modul (2), sním spojenou baterii (3) kondenzátorů, připojenou na generátor (5) střídavého napětí, přičemž generátor (5) střídavého napětí a baterie (3) kondenzátorů jsou s výhodou spojeny přes proudovou sondu (4).
5. Zařízení podle kteréhokoliv z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že obsahuje zařízení pro spínání přivádění napětí na jednotlivé segmenty (11) elektrod, s výhodou relé pole (7).
6. Způsob úpravy potravin pulzním elektrickým polem s použitím zařízení podle kteréhokoliv z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že se upravovaná potravina (10) vloží mezi kontaktní elektrody (8, 9) rozčleněné na segmenty (11), a následně se ze zdroje střídavého napětí na jednotlivé segmenty (11) elektrod přivádí střídavé pulzní napětí, které vytváří elektrické pole pulzního charakteru procházející potravinou (10) a rozrušuje buněčné membrány v potravině (10).
7. Způsob podle nároku 6, vyznačující se tím, že se pulzní střídavé napětí přivádí vždy najeden segment (11) kontaktních elektrod.
8. Způsob podle nároku 6 nebo 7, vyznačující se tím, že se samočinně reguluje a/nebo samočinně ukončí pulzování samostatně na každém segmentu (11) elektrod (8, 9) na základě překročení předem dané mezní velikosti protékajícího proudu měřené proudovou sondou (4) nebo na základě již se dále nezvyšující velikosti protékajícího proudu měřené proudovou sondou (4).
9. Způsob podle nároku 8, vyznačující se tím, že při prvním pulzu se zaznamená hodnota protékajícího proudu segmentem (11) elektrody, a že při dalším pulzování se sleduje nárůst hodnoty protékajícího proudu měřeného na každém segmentu (11) elektrod proudovou sondou (4), přičemž pokud hodnoty protékajícího proudu stoupnou na předem definovanou mez nebo se průtok proudu po předem danou dobu nezvyšuje, pulzování na daném segmentu (11) elektrod se zastaví.