ＤＯＩ：１０．１３９９５／ｊ．ｃｎｋｉ．１１—１８０２／ｔｓ．０１４２５０
欧姆加热技术在食品加工中的应用进展
单长松 ，李法德。，王少刚 ，赵子彤 ，陈超科 ，吴澎
１（山东农业大学食品科学与工程学院，山东泰安，２７１０１８） ２（山东农业大学机械与电子工程学院，山东泰安，２７１０１８）
摘 要 欧姆加热是一种新型食品热加工技术，在食品物料的快速均匀加热及提高食品安全性及质量方面有巨 大的应用潜力。由于该技术在实际应用中受物料自身电导性、电场强度等因素影响，国内的研究仍处于起步阶 段，相较于国外在处理含颗粒食品、含蛋白食品加工的广泛应用，甚至在太空任务中食品加工方面的尝试，存在 着较大差距。文中阐述了欧姆加热技术的原理、特点、国内外欧姆加热装备的研发现状及该技术对食品原料中 酶、微生物、风味与营养成分等方面的影响，并对该技术在食品加工中的应用现状进行了讨论和总结。 关键词 欧姆加热；电导率；酶；微生物；食品加工
热加工是食品加工中主要的工艺环节之一，按照 被加热食品物料的导热方式，可以分为：表面热传导方
式（间接加热法）和体积加热方式。目前，国内食品加 工领域多采用间接加热法。但是，间接加热法由于其 热表面的存在，被加热食品物料的品质会显著降低，并
且热能利用率低 。人们迫切要求食品热加工过程中 最大限度地保留食品物料的营养成分以及色、香、味， 高效率地利用能源也越来越引起社会的重视 。 欧姆加热（ｏｈｍｉｃ ｈｅａｔｉｎｇ，也称为通电加热、纯电
阻加热等）、微波加热（ｍｉｃｒｏｗａｖｅ ｈｅａｔｉｎｇ）、脉冲电场 加热（ｐｕｌｓｅｄ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｆｉｅｌｄｓ ｈｅａｔｉｎｇ）、射频加热（ｒａｄｉｏ ￣ｅｑｕｅｎｃｙ ｈｅａｔｉｎｇ）等均是常见的新型体积加热方 法¨ 。欧姆加热概念于１９世纪初提出，并逐渐利用
于处理液态流体食品以及罐头的初步热加工。２０世 纪初，欧姆加热技术逐渐走向成熟，尤其在罐头食品 的热加工、法兰克福香肠和类似食品的热加工和牛奶
材料 热处理 半固态金属成形技术的研究进展＊ 罗晓强 ，李正阳 ，燕青芝 （１．北京科技大学，北京１０００８３；２．中国科学院力学所，北京１００１９０） 摘 要：半固态金属浆料成形是通过控制金属材料在固 液共存状态下所特有的流变特性而进行成 形的一种金属制备技术。半固态浆料中的固态初生晶粒有优良的流动性，可以采用挤压、压铸和模锻等 加工方法制备产品，半固态浆料成形技术是一种节能、高效的生产加工技术，应用前景广阔。综述了半固 态浆料制备技术出现以来的研究成果，包括半固态浆料的成形机理、半固态成形的条件和晶粒细化控制 机理等，并对半固态浆料制备技术进行了展望。 关键词：半固态；浆料；制备技术 中图分类号：ＴＧ ４４１．８ 文献标志码：Ａ Ｔｈｅ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｐｒｏｇｒｅｓｓ ｏｆ Ｓｅｍｉ—ｓｏｌｉｄ Ｍｅｔａｌ Ｆｏｒｍｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ＬＵＯ Ｘｉａｏｑｉａｎｇ ～．ＬＩ Ｚｈｅｎｇｙａｎｇ 。ＹＡＮ Ｑｉｎｇｚｈｉ （１．Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｂｅｉｊｉｎｇ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００８３，Ｃｈｉｎａ；２．Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ，Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １００１９０，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｓｅｍｉ—ｓｏｌｉｄ ｍｅｔａｌ ｓｌｕｒｒｙ ｆｏｒｍｉｎｇ ｉｓ ａ ｋｉｎｄ ｏｆ ｍｅｔａｌ ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｗｈｉｃｈ ｂｙ ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ ｔｈｅ ｓｏｌｉｄ— ｌｉｑｕｉｄ ｃｏｅｘｉｓｔｅｎｃｅ ｏｆ ｒｈｅｏｌｏｇｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ａｎｄ ｆｏｒｍｉｎｇ ｉｎ ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｍｅｔａｌ ｓｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ．Ｔｈｅ ｓｏｌｉｄ ｐｒｉｍａｒｙ ｇｒａｉｎ ｏｆ ｔｈｅ ｓｅｍｉ—ｓｏｌｉｄ ｓｌｕｒｒｙ ｈａｓ ｇｏｏｄ ｍｏｂｉｌｉｔｙ，ｃａｎ ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ ｐｒｏｄｕｃｔｓ ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ ｅｘｔｒｕｓｉｏｎ，ｄｉｅ ｃａｓｔｉｎｇ， ｄｉｅ ｆｏｒｇｉｎｇ，Ｓｅｍｉ—ｓｏｌｉｄ ｓｌｕｒｒｙ ｆｏｒｍｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｓ ａ ｋｉｎｄ ｏｆ ｅｎｅｒｇｙ—ｓａｖｉｎｇ ａｎｄ ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏ ｇＹ ａｎｄ ｈａｖｅ ｂｒｏａｄ ｐｒｏｓｐｅｃｔｓ．Ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｃｈｉｅｖｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ｓｅｍｉ—ｓｏｌｉｄ ｓｌｕｒｒｙ ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｓ ｒｅｖｉｅｗｅｄ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｆｏｒｍｉｎｇ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ ｓｅｍｉ—ｓｏｌｉｄ ｓｌｕｒｒｙ，ｓｅｍｉ—ｓｏｌｉｄ ｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ａｎｄ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ ｇｒａｉｎ ｒｅｆｉｎｅｍｅｎｔ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｎｄ ｓｏ ｏｎ，ａｎｄ ｃｏｍｍｅｎｔｅｄ ｔｈｅ ｓｅｍｉｓｏｌｉｄ ｓｌｕｒｒｙ ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｅｍｉ—ｓｏｌｉｄ，ｓｌｕｒｒｙ，ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ 半固态金属成形技术（Ｓｅｍｉ—ｓｏｌｉｄ Ｍｅｔａｌ Ｐｒｏ— ｃｅｓｓｉｎｇ） ］，是指当金属处在相图中的固 液相线之 间温度时，采用搅拌、加入品粒细化剂等办法改变金 属的热状态和固相的形核及长大过程，得到一种液 态金属母液中均匀地悬浮着一定球状初生固相的混 合浆料，利用混合浆料进行加Ｔ成形的工艺技 术 ］。半固态金属浆料中的固态初生晶粒通常以 细小、近球状的非枝晶组织形式悬浮在液相中，浆料 在加工过程中表现出良好的流变性和触变性，通常 采用压铸、挤压和模锻等方法进行加工成形ｌ５ ］。 １９７１年，麻省理工学院Ｄ．Ｂ．Ｓｐｅｎｃｅｒ博士和其 导师Ｍ．Ｃ．Ｆｌｅｍｉｎｇｓ教授用部分凝固的Ｓｎ一１５ Ｐｂ合金熔体研究铸造过程时，发现熔体结构的初生 固相呈球状，由此开创了半固态金属成形技术和理 论 ］。美国的Ａｌｕｍａｘ公司于１９７８年率先用电磁 搅拌技术生产半固态铸锭，建设了世界上第１条触 变成型生产线；瑞士Ｂｕｅｈｌｅｒ公司于１９９３年用半固 态压铸设备进行汽车零件加工；德国的ＥＦＵ、法国 的Ｐｅｅｈｉｎｅｙ ＳＡ和意大利的Ｆｉａｔ等公司也先后采用 了半固态加工技术［８ ］。 半固态浆料的制备主要在固体与液体两相之间 进行，在生产中较宽的固一液温度区间利于加工，如 铝合金、铜合金、锌合金、镁合金以及铁合金等口 引， 合金在两相间成形兼具了凝固组织和塑性变形的优 点，其力学性能明显得到提升。合金成功地应用到 商业领域，如用半固态铝合金制备泵体、挂架、压缩 机活塞、气缸头和轮毂等¨】 ¨］。 半固态浆料成形方法有流变成形和触变成形２ 种：流变成形是半固态浆料直接成形；触变成形是将 半固态浆料凝固成坯体，再加热后加工成形。流变 成形由于工艺流程短，生产效率高，可以制造尺寸精 确、形状复杂和没有内部孔隙的高可靠性零件ｌ１引， 因此，受到研究和应用领域的普遍关注。美国康乃 尔大学提出的单螺旋机械搅拌式流变成形技术ｕ ， 英国Ｂｒｕｎｅｌ大学开发的双螺旋机械搅拌式流变成 形技术Ｌ１ 和日本Ｈｉｔａｃｈｉ金属有限公司的Ｓｈｉｂａｔａ 等提出的射室制成形技术＿】 ，这些技术工艺流程 短，生产效率高，可以制造尺寸精确、形状复杂和没 有内部孔隙的高性能零件。与流变成形相比，触变 成形过程中半固态坯料的加热和输送工艺较为方 便，易于实现自动化操作，解决了半固态金属浆料制 备与成形的衔接问题，半固态金属的触变压铸、触变 新技术新工艺》材料与热处理
半固态铸造工艺应用
半固态铸造工艺是指在金属熔体中掺入半固态剂，通过特定的工艺条件，使金属熔体部分凝固成半固态状态，再进行铸造制造。半固态铸造有着许多优点，例如成形良好、缩短加工周期、提高产品性能等。以下将从原理、工艺、优缺点和应用等方面介绍半固态铸造。
一、 原理
半固态铸造工艺的原理在于铸造时将金属熔体掺入半固态剂，控制好半固态熔体的比例和凝固温度，使其部分凝固成良好的半固态状态。半固态状态下的金属材料不仅具有良好的流动性，而且还具有较高的塑性和较小的收缩率，使得铸件成形更加均匀、精准。
二、 工艺
1、 原料准备：将金属熔体和半固态剂按比例配制，控制好加热和冷却的速度。
2、 熔体搅拌：在混合后的金属熔体中通过机械搅拌或气体喷吹等方式来控制其凝固和防止熔化。
3、 控制温度：控制金属熔体的加热温度和冷却温度，使其快速凝固成为良好的半固态熔体，保持其流动性。
4、 铸造：将半固态熔体注入模型中进行铸造，在适当的时间内完成金属熔体的凝固和冷却，取出铸件进行二次加工或直接使用。 三、 优缺点
1、 优点：半固态铸造工艺可以有效提高铸件的成形精度和表面质量，并且能够缩短加工周期，提高产品的性能和使用寿命。
2、 缺点：半固态铸造需要专业的设备和技术支持，在操作过程中需要精密控制温度和时间，成本较高。
四、 应用
由于半固态铸造具有许多优势，因此在航空、汽车、轨道交通、电力等重要领域的应用越来越多。例如，航空设备制造中常采用半固态铸造工艺生产复杂形状的铝合金零部件，可以大大提高飞机的动力性能；汽车制造中，半固态铸造可用于生产大型铝制汽车零部件，如发动机缸体和曲轴；轨道交通制造方面，半固态铸造可用于生产高速列车的车架、车身等零部件，提高列车的运行速度和安全性。
综上所述，半固态铸造工艺具有成形精度高、减少加工周期、提高产品性能等优点，在各大领域的应用前景广阔。同时，我们也要认识到半固态铸造存在一些技术难度，需要专业人士的支持和掌握。我们期待半固态铸造技术的不断发展和改进，为我们的工业制造业带来更多的机遇和挑战。
半固态金属铸造工艺
概述
工艺原理
在普通铸造过程中，初晶以枝晶方式长大，当固相率达到左右时，枝晶就形成连续网络骨架，失去宏观流动性。如果在液态金属从液相到固相冷却过程中进行强烈搅拌，则使普通铸造成形时易于形成的树枝晶网络骨架被打碎而保留分散的颗粒状组织形态，悬浮于剩余液相中。这种颗粒状非枝晶的显微组织，在固相率达时仍具有一定的流变性，从而可利用常规的成形工艺如压铸、挤压，模锻等实现金属的成形。
合金制备
制备半固态合金的方法很多，除机械搅拌法外，近几年又开发了电磁搅拌法，电磁脉冲加载法、超声振动搅拌法、外力作用下合金液沿弯曲通道强迫流动法、应变诱发熔化激活法（SIMA）、喷射沉积法（Spray）、控制合金浇注温度法等。其中，电磁搅拌法、控制合金浇注温度法和SIMA法，是最具工业应用潜力的方法。
3.3.1机械搅拌法
机械搅拌是制备半固态合金最早使用的方法。Flemings等人用一套由同心带齿内外筒组成的搅拌装置（外筒旋转，内筒静止），成功地制备了锡-铅合金半固态浆液；等人用搅拌桨制备了铝-铜合金、锌-铝合金和铝-硅合金半固态浆液。后人又对搅拌器进行了改进，采用螺旋式搅拌器制备了ZA-22合金半固态浆液。通过改进，改善了浆液的搅拌效果，强化了型内金属液的整体流动强度，并使金属液产生向下压力，促进浇注，提高了铸锭的力学性能。
3.3.2 电磁搅拌法
电磁搅拌是利用旋转电磁场在金属液中产生感应电流，金属液在洛伦磁力的作用下产生运动，从而达到对金属液搅拌的目的。目前，主要有两种方法产生旋转磁场：一种是在感应线圈内通交变电流的传统方法；另一种是1993年由法国的推出的旋转永磁体法，其优点是电磁感应器由高性能的永磁材料组成，其内部产生的磁场强度高，通过改变永磁体的排列方式，可使金属液产生明显的三维流动，提高了搅拌效果，减少了搅拌时的气体卷入。
3.3.3 应变诱发熔化激活法（SIMA）
应变诱发熔化激活法（SIMA）是将常规铸锭经过预变形，如进行挤压、滚压等热加工制成半成品棒料，这时的显微组织具有强烈的拉长形变结构，然后加热到固液两相区等温一定时间，被拉长的晶粒变成了细小的颗粒，随后快速冷却获得非枝晶组织铸锭。
