Высокочастотный (ВЧ) и сверхвысокочастотный (СВЧ) нагрев пищевых продуктов позволяет значительно интенсифицировать термические процессы.
Процесс трансформации энергии электромагнитного поля высокой или сверхвысокой частоты в теплоту принято называть диэлектрическим нагревом или ВЧ (СВЧ)-нагревом.
Большинство пищевых продуктов и сред представляют собой с электрофизической точки зрения несовершенные диэлектрики. Они, как правило, имеют достаточно высокую диэлектрическую проницаемость и низкую электропроводность, обусловленную, как правило, свободными ионами вещества. Такие продукты и среды способны подвергаться диэлектрическому нагреву, который основан на смещении зарядов и связанных с ними молекул (поляризации) при воздействии на вещество (продукт) переменного элетромагнитного поля. При этом на перемещение заряженных частиц затрачивается работа, которая из-за наличия внутреннего межмолекулярного трения превращается в теплоту.
В веществе (продукте) может возникать несколько видов поляризации: электронная, атомная, дипольная.
Электронная поляризация выражается относительным смещением среднего положения электронов относительно среднего положения атома.
Ионная (атомная) поляризация вызывается смещением положительных и отрицательных ионов в материале.
Дипольная поляризация обусловлена наличием постоянных диполей (полярных молекул) вещества, которые в результате воздействия поля могут поворачиваться из случайных направлений в направление поля, вызывая тем самым поляризацию вследствие ориентации постоянных диполей.
Величина полной поляризации диэлектрика определяется суммарным эффектом всех перечисленных видов поляризации и обуславливает его диэлектрическую проницаемость.
Тепловую энергию, выделяемую в единице объема вещества в результате диэлектрического нагрева, принято характеризовать удельной мощностью (Руд,Вт/м3), которая согласно закону Джоуля-Ленца определяется по формуле:
Руд = 0,556 · 10-10 · ε' · tgδ · f · Е2,
где ε'- относительная диэлектрическая проницаемость вещества;
Е - напряженность электрического поля в рассматриваемом объеме вещества, В/м;
δ - угол диэлектрических потерь;
f - частота, Гц.
В соответствии с международным соглашением для промышленного применения разрешено использовать только отдельные участки СВЧ-диапазона волн (900±15 МГц и 2400±50 МГц). Поэтому СВЧ-аппараты используют только эти частоты.
Эффект объемного нагрева при тепловой обработке пищевых продуктов в переменном электромагнитном поле достигается благодаря проникновению поля в продукт на значительную глубину.
Под глубиной проникновения электромагнитного поля в продукт (среду) подразумевается расстояние Δ (м) от поверхности продукта внутрь, на котором мощность внутренних источников теплоты уменьшается в е раз и которое определяется по формуле:
Δ = 9,55 · 1011 / (f · (ε')1/2 · tgδ).
Существенный технологический результат при использовании токов ВЧ- и СВЧ-обработки можно получить для ряда процессов, среди которых основное место занимают тепловые и массообменные (нагрев, стерилизация, размораживание, сушка, пастеризация).
Применение СВЧ-нагрева позволяет значительно интенсифицировать технологические процессы пищевых производств, связанные с нагревом продукции, а также разработать их новые виды, особенно комбинируя СВЧ-нагрев с традиционными способами энергоподвода, таким как варка, сушка, стерилизация, пастеризация, размораживание, сублимация и т.д. СВЧ-нагрев позволяет реализовать безотходные и энергосберегающие технологии, значительно увеличить выпуск готовой продукции без больших капитальных затрат, улучшить санитарно-гигиенические условия труда.
В пищевой промышленности важным и трудоемким процессом является размораживание продуктов. Использование диэлектрического нагрева позволяет резко сократить продолжительность размораживания, а также улучшить качественные показатели продукции.
Преимущества метода следующие:
§ относительно короткое время размораживания;
§ отсутствие повышенной температуры на поверхности продукта;
§ отсутствие роста бактерий;
§ потери сока при нагревании мяса на порции незначительные (менее 1 %);
§ длительность размораживания не зависит от толщины блоков (при ВЧ-нагреве);
§ незначительная занимаемая площадь.
Вследствие кратковременности размораживания микробиальная обсемененность мяса после СВЧ-нагрева на порядок ниже, чем у сырья, размороженного в воздушной среде. Оценка санитарного состояния фарша показала, что микробное число опытных партий мяса на 30-40 % меньше, чем у контрольных. Таким образом, вареные колбасы, изготовленные из мяса, темперированного СВЧ-энергией, будут более устойчивы к хранению.
Доказано, что СВЧ-поле в отношении микрофлоры обладает бактерицидным и бактериостатическим действием. Было показано, что стерилизующий эффект СВЧ-поля явно выражен - выживаемость бактерий (кишечная палочка) после такой обработки в два и более раз меньше, чем при тепловой обработке.
В целом бактерицидный эффект при СВЧ-нагреве проявлялся значительно раньше, чем при тепловом. Бактерицидное и бактериологическое действие является результатом селективного выделения энергии на множественных границах раздела бактериальной суспензии, имеющих более высокий коэффициент потерь.
Установлено, что СВЧ-нагрев обеспечивает эффективную пастеризацию (не менее 99,5 %) мяса. Микробиологические исследования указывают на отсутствие микробов в период двухмесячного хранения, однако снижение органолептических показателей при хранении в полимерной упаковке обеспечивает сроки хранения восьмью неделями, что является значительным периодом.
Следует отметить, что СВЧ- и ВЧ-нагрев пищевых продуктов - достаточно сложная задача не только с точки зрения техники генерирования СВЧ и ВЧ, но и со стороны особенностей строения и свойств продуктов. Удельная мощность рассеивания энергии в материале зависит от его электрофизичесих параметров (диэлектрическая проницаемость, проводимость), которые в свою очередь зависят от влажности и других факторов. В процессе тепловой обработки продукты подвергаются глубоким изменениям, в том числе и их диэлектрические свойства, что влияет на течение СВЧ- и ВЧ-нагрева. Особенно этот эффект заметен при размораживании мяса, когда фактор потерь лавинообразно возрастает в десятки раз, и при сушке, когда влажность уменьшается, при этом фактор диэлектрических потерь уменьшается и соответственно уменьшается выделяемая энергия. Естественно, что управлять такими процессами трудно.
Электромагнитное поле СВЧ, проникая в пищевые продукты на значительную глубину, не обеспечивает абсолютно равномерного нагрева его во всем объеме. Такая неравномерность связана со следующими причинами: падением удельной мощности, неоднородностью состава и влагосодержания, формой изделия (продукта). Рекомендуется выбирать форму обрабатываемого изделия такой, чтобы его линейные размеры хотя бы в одном измерении не превышали удвоенного значения глубины проникновения Δ. В противном случае вследствие возникающего градиента температуры и избыточного давления возникают явления переноса теплоты и массы. В зависимости от этого, направление переноса может быть направленно как от периферии внутрь продукта, так и наоборот, а также менять знак в процессе СВЧ-нагрева. Векторы переноса теплоты и массы могут как совпадать по направлению, так и быть встречными. Следует также отметить, что возникающее в процессе СВЧ-нагрева внутреннее давление из-за недостаточной скорости переноса массы (т.е. влаговыделений) может привести к образованию трещин и пустот. Поэтому рекомендуется сочетать СВЧ-нагрев с другими видами тепловой обработки, позволяющими избегать указанные недостатки.
В настоящее время имеется достаточно большое количество конструкций СВЧ-аппаратов для обработки пищевых продуктов, которые можно классифицировать по ряду признаков: по мощности - малой мощности (до 1,5 КВт), средней мощности (1,5-5,0 КВт), большой мощности (5,0-10,0 КВт); по производительности - малой (5-10 кг/час), средней (15-40 кг/час), большой (от 50 кг до нескольких тонн в час); по принципу действия - периодического и непрерывного действия; по исполнению - настольные, напольные, встроенные.
|
Для СВЧ-термообработки используют различные агрегаты. В большинстве случаев промышленные СВЧ-устройства непрерывного действия для нагрева пищевых продуктов представлены в виде линейных конвейеров.
Рис. 5.1. Конвейерная СВЧ-установка с распределенным вводом
энергии в рабочую камеру:
1 - конвейерная лента; 2 - рабочая камера; 3 - ловушка; 4 - СВЧ-генератор; 5 - волновод;
6 - источник сухого воздуха (газа); 7 - щели в волноводе; 8 - продукт
Нагревательная камера конвейерной установки, приведенной на рис. 5.1, образована длинным металлическим горизонтальным туннелем прямоугольного сечения. Длина камеры составляет 2,4 м, высота - 0,3 м и ширина - 0,45 м. С обоих концов туннеля расположены ловушки, в которых должна затухать не поглощенная продуктом энергия. СВЧ-энергия подается в рабочую камеру через щелевой волновод, имеющий активную длину 1,5 м. Такая система обеспечивает более равномерное распределение энергии в объеме рабочей камеры и снижает максимальную напряженность электрического поля в камере по сравнению со случаем сосредоточенного ввода энергии. Это очень важно при обработке продуктов с низкой электрической прочностью или при обработке продукта в вакууме. Форму щелей подбирают экспериментальным путем, длину щелей изменяют по длине волновода так, чтобы обеспечивалось желаемое распределение энергии по длине камеры. Продукты, подвергаемые обработке, непрерывно поступают на конвейер и проходят через туннель. Конвейерная лента сделана из материала с низкими диэлектрическими потерями.